将汽车级反激式变压器用于紧凑型电动汽车电源设计

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

创新型汽车设计对电气和电子电源的需求可归纳如下：增加功率、提高效率、减少空间需求和增强可靠性。就电动汽车 (EV) 而言，效率对于缓解用户的“续航焦虑”至关重要。结合电动汽车的各种要求，我们需要为备用电源和辅助电源提供紧凑、轻量化的电源解决方案。更小的电源带来了更多的挑战，包括需要更大的隔离能力，以防止间距较近的元件之间发生电气击穿，并减少电磁干扰 (EMI)。

反激式电源转换器通常用在各种低功耗电动汽车应用中，包括产生辅助电源、电池管理和栅极驱动电源。其设计更简单，元件更少，从而缩小了尺寸，提高了可靠性，降低了成本。反激式电源的核心是反激式变压器，它通常是支持高压隔离所需的最大组件之一。

本文介绍了反激式转换器的工作原理、电感和电容寄生的影响，以及元器件尺寸和信号隔离的重要性。然后介绍了[Bourns] 的反激式变压器，并说明它是以何方式帮助解决众多汽车电源难题的。

反激式转换器

反激式转换器的核心是一个反激式变压器，它在转换器电路的初级侧和次级侧之间提供功率传输和隔离（图 1，上）。转换器可根据反激式变压器的配置对直流电源的电压进行升压或降压。除了反激式变压器，电路还需要一个初级侧开关 (SW)（通常是 MOSFET）和一个次级整流器/滤波器。

图 1：所示为反激式转换器基本元件（上图）和重要工作波形（下图）的简化示意图。（图片来源：Bourns Inc.）

通过将 Vgs 置于高电平状态（图 1，下），开启 SW 时，工作周期开始。开关闭合，施加在电感器上的电压是一个阶跃函数。电感器可抵消电流的任何瞬时变化，并对施加的阶跃电压进行积分。这就产生了一个斜坡函数，反激式变压器初级绕组中的电流由于初级电感的影响而线性增加。由于整流二极管 (D) 是反向偏置的，因此变压器次级没有电流，反激式变压器磁芯中的气隙可防止变压器磁场增大时出现饱和。

当开关关闭时（通过将 Vgs 恢复到低电平状态来实现），变压器磁场中存储的能量通过现在正向偏置的二极管传输到次级，为输出电容器 (C2) 充电。次级电流线性下降，直到磁场能量耗尽或开关再次打开，开始下一个周期。

典型的变压器，如线性电源中的变压器，持续地将能量从初级绕组传递到次级绕组。反激式变压器的工作原理更类似于一对耦合电感器，因为它不会在工作周期内持续传输能量。不过，与变压器一样，输出电压也可以通过改变初级和次级绕组之间的匝比来调节。反激式变压器还在初级和次级绕组之间提供电隔离。此外，它还支持多个次级绕组，允许转换器输出多种电压。

反激式转换器的寄生效应

作为典型的电子电路，反激式转换器会受到寄生电感和电容的影响（图 2）。

图 2：所示为反激式转换器原理图，红色部分突出显示了与转换器组件相关的寄生电容和电感。（图片来源：Bourns Inc.）

磁化电感 (L m ) 是决定反激式变压器能量储存的主要感性属性。与变压器相关的还有与开关串联的寄生漏感 (L lk )。当开关断开时，它会试图维持初级电流并升高开关两端的电压。大多数反激式转换器都采用钳位电路或缓冲电路来保护开关免受这种瞬态电压的影响。这种效应还会增加磁场辐射，影响电磁干扰。电路板走线电感 (L tr ) 增加了这些影响。

变压器设计人员会尽一切努力将漏感降到最低。主要方法是增加初级和次级绕组之间的耦合。要做到这一点，就要尽量减少绕组之间的间距，并将它们交错排列。

分布的电容包括初级电容 (C p )、绕组间电容 (C ps )、次级电容 (C s )、场效应管输出电容 (C o ) 和次级二极管电容 (C d )。这些电容与电感相互作用，降低了转换器信号波形的完整性（图 3）。

图 3：所示为电容和电感寄生元件对开关波形的影响。（图片来源：Bourns Inc.）

开关波形最好是没有过冲或下冲的矩形脉冲。这种矩形脉冲的快速转换时间保证了电压波形在电流增大之前处于零位。实际上，寄生电容和电感的影响会减慢转换时间，并导致过冲、下冲和瞬时振荡。此外，由于非零初级电压和电流波形的重叠，较慢的上升和下降时间会增加转换器的开关损耗。这种重叠会在 FET 开关中产生开关损耗，从而降低转换器的效率。脉冲顶部的明显下降是由于负载电阻和磁化电感造成的。

在设计反激式变压器时，必须努力使自谐振频率远离转换器的开关频率，并尽可能缩短开关和反激式变压器之间的布线，这有助于最大限度地减少寄生电容。此外，绕组间电容还提供了将初级信号的高频成分耦合到输出的路径。绕组间电容越大，转换器的传导 EMI 辐射就越大。要实现最佳性能就需要在设计上进行权衡，因为更紧密的绕组耦合会降低漏感，但同时也会增加绕组间电容。这就是变压器设计人员经验的重要性所在。

缩小尺寸和信号隔离

用于汽车应用的元器件应尽可能小。元器件的物理尺寸由材料特性和元器件功能的物理特性决定。就反激式变压器而言，导体间距必须足以应对峰值工作电压和标准认证所需的电压测试。与电压击穿相关的关键规格是间隙和爬电距离（图 4）。

图 4：间隙和爬电距离是描述相邻导体之间为防止电气击穿和电弧所需的最小距离的规范。（图片来源：Bourns Inc.）

间隙是指空气中两个导电路径之间的最短距离，爬电距离是指沿绝缘材料表面两个导电路径之间的最短距离。这些距离对于防止电弧和保持电气隔离至关重要。

反激式变压器符合电动汽车要求

Bourns [HVMA03F40C-ST10S] （图 5）反激式变压器通过了汽车级认证，设计工作频率为 100 kHz 至 400 kHz，额定功率最高 3 W。

图 5：HVMA03F40C-ST10S 反激式变压器（左）额定功率为 3 W，具有双输出绕组（右）。（图片来源：Bourns Inc.）

这款反激式变压器是符合 AEC-Q200 标准的汽车级组件，额定工作温度范围为 -40°C 至 +155°C（包括自升温）。它是一款八焊盘表面贴装器件，占用面积仅为 9.5 mm × 10.3 mm，高度仅为 13 mm，结构异常紧凑。它设计用于在 6 V 至 27 V 的初级驱动电压下运行，其双次级绕组可产生 14 V 的额定输出电压。

初级绕组（引脚 1 和 2 之间）的主电感为 40 微亨 (mH)，漏感仅为 1.1 mH，串联电阻为 1.0 欧姆 (Ω)。主次级（引脚 6 和 7 之间）的串联直流电阻为 1.0 Ω。辅助输出（引脚 3 和 4 之间）的串联电阻为 1.4 Ω。该变压器针对单位增益设置，匝数比为 1:1:1。

额定工作电压高达 900 V，隔离电压为 4,000 V AC 。尽管额定电压很高，但变压器的额定爬电距离为 10 mm，间隙距离为 6 mm。

这种反激式变压器适用于汽车应用，例如晶体管栅极驱动电源、电池管理电路或电动汽车独立电源电路之间的隔离电源。它与许多反激式控制器集成电路兼容，这些集成电路可在固定开关频率和脉宽调制下工作，或在固定脉宽和可变频率控制下工作。

结语

Bourns HVMA03F40C-ST10S 尤其适合用来帮助设计人员满足电动汽车的电源要求。它符合 AEC-Q200 标准，外形小巧，符合间隙和爬电规范，在宽温度范围内的额定功率为 3 W。