作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

創(chuàng)新型汽車設計對電氣和電子電源的需求可歸納如下：增加功率、提高效率、減少空間需求和增強可靠性。就電動汽車 (EV) 而言，效率對于緩解用戶的“續(xù)航焦慮”至關重要。結合電動汽車的各種要求，我們需要為備用電源和輔助電源提供緊湊、輕量化的電源解決方案。更小的電源帶來了更多的挑戰(zhàn)，包括需要更大的隔離能力，以防止間距較近的元件之間發(fā)生電氣擊穿，并減少電磁干擾 (EMI)。

反激式電源轉換器通常用在各種低功耗電動汽車應用中，包括產生輔助電源、電池管理和柵極驅動電源。其設計更簡單，元件更少，從而縮小了尺寸，提高了可靠性，降低了成本。反激式電源的核心是反激式變壓器，它通常是支持高壓隔離所需的最大組件之一。

本文介紹了反激式轉換器的工作原理、電感和電容寄生的影響，以及元器件尺寸和信號隔離的重要性。然后介紹了[Bourns] 的反激式變壓器，并說明它是以何方式幫助解決眾多汽車電源難題的。

反激式轉換器

反激式轉換器的核心是一個反激式變壓器，它在轉換器電路的初級側和次級側之間提供功率傳輸和隔離（圖 1，上）。轉換器可根據(jù)反激式變壓器的配置對直流電源的電壓進行升壓或降壓。除了反激式變壓器，電路還需要一個初級側開關 (SW)（通常是 MOSFET）和一個次級整流器/濾波器。

圖 1：所示為反激式轉換器基本元件（上圖）和重要工作波形（下圖）的簡化示意圖。（圖片來源：Bourns Inc.）

通過將 Vgs 置于高電平狀態(tài)（圖 1，下），開啟 SW 時，工作周期開始。開關閉合，施加在電感器上的電壓是一個階躍函數(shù)。電感器可抵消電流的任何瞬時變化，并對施加的階躍電壓進行積分。這就產生了一個斜坡函數(shù)，反激式變壓器初級繞組中的電流由于初級電感的影響而線性增加。由于整流二極管 (D) 是反向偏置的，因此變壓器次級沒有電流，反激式變壓器磁芯中的氣隙可防止變壓器磁場增大時出現(xiàn)飽和。

當開關關閉時（通過將 Vgs 恢復到低電平狀態(tài)來實現(xiàn)），變壓器磁場中存儲的能量通過現(xiàn)在正向偏置的二極管傳輸?shù)酱渭墸瑸檩敵?a target="_blank">電容器 (C2) 充電。次級電流線性下降，直到磁場能量耗盡或開關再次打開，開始下一個周期。

典型的變壓器，如線性電源中的變壓器，持續(xù)地將能量從初級繞組傳遞到次級繞組。反激式變壓器的工作原理更類似于一對耦合電感器，因為它不會在工作周期內持續(xù)傳輸能量。不過，與變壓器一樣，輸出電壓也可以通過改變初級和次級繞組之間的匝比來調節(jié)。反激式變壓器還在初級和次級繞組之間提供電隔離。此外，它還支持多個次級繞組，允許轉換器輸出多種電壓。

反激式轉換器的寄生效應

作為典型的電子電路，反激式轉換器會受到寄生電感和電容的影響（圖 2）。

圖 2：所示為反激式轉換器原理圖，紅色部分突出顯示了與轉換器組件相關的寄生電容和電感。（圖片來源：Bourns Inc.）

磁化電感 (L m ) 是決定反激式變壓器能量儲存的主要感性屬性。與變壓器相關的還有與開關串聯(lián)的寄生漏感 (L lk )。當開關斷開時，它會試圖維持初級電流并升高開關兩端的電壓。大多數(shù)反激式轉換器都采用鉗位電路或緩沖電路來保護開關免受這種瞬態(tài)電壓的影響。這種效應還會增加磁場輻射，影響電磁干擾。電路板走線電感 (L tr ) 增加了這些影響。

變壓器設計人員會盡一切努力將漏感降到最低。主要方法是增加初級和次級繞組之間的耦合。要做到這一點，就要盡量減少繞組之間的間距，并將它們交錯排列。

分布的電容包括初級電容 (C p )、繞組間電容 (C ps )、次級電容 (C s )、場效應管輸出電容 (C o ) 和次級二極管電容 (C d )。這些電容與電感相互作用，降低了轉換器信號波形的完整性（圖 3）。

圖 3：所示為電容和電感寄生元件對開關波形的影響。（圖片來源：Bourns Inc.）

開關波形最好是沒有過沖或下沖的矩形脈沖。這種矩形脈沖的快速轉換時間保證了電壓波形在電流增大之前處于零位。實際上，寄生電容和電感的影響會減慢轉換時間，并導致過沖、下沖和瞬時振蕩。此外，由于非零初級電壓和電流波形的重疊，較慢的上升和下降時間會增加轉換器的開關損耗。這種重疊會在 FET 開關中產生開關損耗，從而降低轉換器的效率。脈沖頂部的明顯下降是由于負載電阻和磁化電感造成的。

在設計反激式變壓器時，必須努力使自諧振頻率遠離轉換器的開關頻率，并盡可能縮短開關和反激式變壓器之間的布線，這有助于最大限度地減少寄生電容。此外，繞組間電容還提供了將初級信號的高頻成分耦合到輸出的路徑。繞組間電容越大，轉換器的傳導 EMI 輻射就越大。要實現(xiàn)最佳性能就需要在設計上進行權衡，因為更緊密的繞組耦合會降低漏感，但同時也會增加繞組間電容。這就是變壓器設計人員經(jīng)驗的重要性所在。

縮小尺寸和信號隔離

用于汽車應用的元器件應盡可能小。元器件的物理尺寸由材料特性和元器件功能的物理特性決定。就反激式變壓器而言，導體間距必須足以應對峰值工作電壓和標準認證所需的電壓測試。與電壓擊穿相關的關鍵規(guī)格是間隙和爬電距離（圖 4）。

圖 4：間隙和爬電距離是描述相鄰導體之間為防止電氣擊穿和電弧所需的最小距離的規(guī)范。（圖片來源：Bourns Inc.）

間隙是指空氣中兩個導電路徑之間的最短距離，爬電距離是指沿絕緣材料表面兩個導電路徑之間的最短距離。這些距離對于防止電弧和保持電氣隔離至關重要。

反激式變壓器符合電動汽車要求

Bourns [HVMA03F40C-ST10S] （圖 5）反激式變壓器通過了汽車級認證，設計工作頻率為 100 kHz 至 400 kHz，額定功率最高 3 W。

圖 5：HVMA03F40C-ST10S 反激式變壓器（左）額定功率為 3 W，具有雙輸出繞組（右）。（圖片來源：Bourns Inc.）

這款反激式變壓器是符合 AEC-Q200 標準的汽車級組件，額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +155°C（包括自升溫）。它是一款八焊盤表面貼裝器件，占用面積僅為 9.5 mm × 10.3 mm，高度僅為 13 mm，結構異常緊湊。它設計用于在 6 V 至 27 V 的初級驅動電壓下運行，其雙次級繞組可產生 14 V 的額定輸出電壓。

初級繞組（引腳 1 和 2 之間）的主電感為 40 微亨 (mH)，漏感僅為 1.1 mH，串聯(lián)電阻為 1.0 歐姆 (Ω)。主次級（引腳 6 和 7 之間）的串聯(lián)直流電阻為 1.0 Ω。輔助輸出（引腳 3 和 4 之間）的串聯(lián)電阻為 1.4 Ω。該變壓器針對單位增益設置，匝數(shù)比為 1:1:1。

額定工作電壓高達 900 V，隔離電壓為 4,000 V AC 。盡管額定電壓很高，但變壓器的額定爬電距離為 10 mm，間隙距離為 6 mm。

這種反激式變壓器適用于汽車應用，例如晶體管柵極驅動電源、電池管理電路或電動汽車獨立電源電路之間的隔離電源。它與許多反激式控制器集成電路兼容，這些集成電路可在固定開關頻率和脈寬調制下工作，或在固定脈寬和可變頻率控制下工作。

結語

Bourns HVMA03F40C-ST10S 尤其適合用來幫助設計人員滿足電動汽車的電源要求。它符合 AEC-Q200 標準，外形小巧，符合間隙和爬電規(guī)范，在寬溫度范圍內的額定功率為 3 W。