使用汽車級返馳式變壓器設計小型電動車電源供應器

創新汽車設計的電氣和電子電源需求概括如下：提高功率、提升效率、縮小空間需求、增強可靠性。電動車 (EV) 的效率對於緩解使用者的「里程焦慮」非常重要。電動車環境的要求造就緊湊、輕巧的備用和輔助電源解決方案。較小的電源供應器帶來額外的挑戰；包括需更強大的隔離，以防止緊密間隔的組件之間的電氣崩潰，以及減少電磁干擾 (EMI)。

返馳式電源轉換器通常用於各種低功率電動車應用，包括產生輔助電源、電池管理、閘極驅動電源。具有更簡單的設計及更少的組件，可縮減尺寸、提高可靠性、降低成本。所有返馳式電源供應器的核心都是返馳式變壓器，通常是支援高壓隔離所需的最大組件之一。

本文說明返馳式轉換器的工作原理、電感和電容寄生效應，以及元件尺寸和訊號隔離的重要性。接著介紹 Bourns 的一款返馳式變壓器，並展示其如何協助解決眾多汽車電源難題。

返馳式轉換器

返馳式轉換器以其簡單、最少組件之設計聞名，功率等級高達 100 W。這些設計的核心是返馳式變壓器，可提供轉換器電路一次側和二次側之間的功率傳輸和隔離 (圖 1，上)。此轉換器可根據返馳式變壓器配置，升高或降低直流電源的電壓。除了返馳式變壓器之外，電路還需要一個一次側開關 (SW)，通常為 MOSFET，以及二次側整流器／濾波器。

圖 1：返馳式轉換器基本元件簡化線路圖 (上) 和主要工作波形 (下)。(圖片來源：Bourns Inc.)

當 V_gs 處於高態並開啟 SW 時，即開始工作週期 (圖 1，上)。開關關閉，施加在電感兩端的電壓呈階梯函數。電感會阻止電流的任何瞬時變化，並用於對施加的階梯電壓積分。這會產生一個斜坡函數，並且由於一次側電感的影響，返馳式變壓器一次側繞組中的電流會以線性增加。由於整流二極體 (D) 逆向偏壓，變壓器二次側沒有電流，且返馳式變壓器磁芯中的氣隙會防止變壓器磁場增加時出現飽和。

將 V_gs 返回低態，關閉開關時，儲存在變壓器磁場中的能量由此時正向偏壓的二極體傳送到二次側，對輸出電容 (C2) 充電。二次側電流以線性下降，直到磁場的能量耗盡或開關再次打開，開始下一個循環。

線性電源供應器中的典型變壓器會持續將能量從一次側繞組傳送到二次側繞組。返馳式變壓器的運作與一對耦合電感的運作更相似，因為不會在運作週期內連續傳輸能量。然而，如同變壓器，可以透過改變一次側和二次側繞組之間的匝數比，調整輸出電壓。返馳式變壓器還在一次側和二次側繞組間提供電流隔離。此外，亦支援多重二次側繞組，允許轉換器輸出多種電壓。

返馳式轉換器中的寄生效應

返馳式轉換器是典型電子電路，會受到寄生電感和電容的不良影響 (圖 2)。

圖 2：返馳式轉換器的線路圖，其中紅色螢光線是與轉換器元件相關的寄生電容值和電感值。(圖片來源：Bourns Inc.)

磁化電感 (L_m) 是決定返馳式變壓器能量儲存的主要電感特性。寄生漏電感 (L_lk) 也與變壓器相關，與開關串聯。打開開關時，會嘗試維持一次側電流並提高開關兩端的電壓。大多數返馳式轉換器採用箝位電路或緩衝器，保護開關免受暫態電壓的影響。這種效應也會增加磁場輻射並影響 EMI。板件引線電感 (L_tr) 會加深影響程度。

變壓器設計人員盡全力將漏電感降至最低。主要方法是增加一次側和二次側繞組之間的耦合，以及將繞組之間的間隔縮小及交錯。

配置的電容包括一次側電容 (C_p)、繞組間電容 (C_ps)、二次側電容 (C_s)、FET 輸出電容 (C_o) 和二次側二極體電容 (C_d)。這些電容與電感相互作用，以降低轉換器訊號波形的完整性 (圖 3)。

圖 3：電容性和電感性寄生元件對開關波形的影效應。(圖片來源：Bourns Inc.)

理想情況下，開關波形應該是沒有過衝或下衝的矩形脈衝。此矩形脈衝的快速轉換時間，可保證電壓波形在電流增加之前為零。但實際上，寄生電容和電感的效應會減慢轉換時間並導致過衝、下衝、振鈴。此外，由於非零一次側電壓和電流波形重疊，較慢的上升和下降時間會增加轉換器的切換損耗。這種重疊會以 FET 切換損耗的形式耗散功率，降低轉換器的效率。脈衝頂端明顯的下降是負載電阻和磁化電感所造成。

設計返馳式變壓器時，必須付出巨大努力，才能使自諧振頻率遠離轉換器的切換頻率，並且盡可能縮短開關和返馳式變壓器之間的佈線，這降有助於降到最低寄生電容。此外，繞組間電容提供一個路徑，將主訊號的高頻成分耦合至輸出。繞組間電容越大，轉換器的傳導 EMI 輻射量就越大。在設計上需要針對最佳效能進行權衡，因為繞組的緊密耦合會降低漏電感，但也會增加繞組間電容量。此時，變壓器設計人員的經驗就十分重要。

尺寸減小和訊號隔離

汽車應用組件的尺寸越小越好。組件的實體尺寸由材料特性和零件功能的實體特性決定。返馳式變壓器的導體間距必須足以處理峰值工作電壓和標準認證所需的電壓測試。與電壓崩潰相關的關鍵規格是電氣間隙和沿面距離 (圖 4)。

圖 4：電氣間隙和沿面距離是用來描述在相鄰導體之間，防止電氣崩潰和產生電弧所需的最小距離。(圖片來源：Bourns Inc.)

電氣間隙是空氣中兩個導電路徑之間的最短距離；沿面距離是沿著絕緣材料表面兩個導電路徑之間的最短距離。這些距離對於防止電弧和維持電氣隔離非常重要。

返馳式變壓器符合電動車要求

Bourns 的 HVMA03F40C-ST10S (圖 5) 返馳式變壓器符合汽車標準，此設計的工作切換頻率為 100 kHz 至 400 kHz，額定功率高達 3 W。

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

此返馳式變壓器是符合 AEC-Q200 標準的汽車級組件，額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +155°C (包括自體溫升)。這是一款八焊墊表面黏著元件，尺寸極其緊湊，覆蓋區為 9.5 mm × 10.3 mm，高度為 13 mm。設計用於 6 V 至 27 V 的一次側驅動器，其雙二次側繞組產生 14 V 的標稱輸出。

其一次側繞組 (引腳 1 和 2 之間) 提供 40 mH 的主電感，漏電感僅 1.1 mH，串聯電阻為 1.0 Ω。主二次側線圈 (引腳 6 和 7 之間) 的串聯直流電阻為 1.0 Ω。輔助輸出 (引腳 3 和 4 之間) 具有 1.4 Ω 的串聯電阻。此變壓器設定為單位增益，匝數比為 1:1:1。

額定工作電壓高達 900 V，其電壓隔離為 4,000 V_AC。儘管有極高的額定電壓，但此變壓器的額定沿面距離為 10 mm，電氣間隙為 6 mm。

此返馳式變壓器適用於汽車應用，如電晶體閘極驅動電源供應器、電池管理電路、電動車中獨立電源電路之間的隔離電源。相容於許多以固定切換頻率、脈寬調變，或固定脈衝寬度和可變頻率控制工作的返馳式控制器積體電路。

結論

Bourns 的 HVMA03F40C-ST10S 非常適合協助設計人員滿足電動車的電源需求。符合 AEC-Q200 標準，具有緊湊的外形尺寸、符合間隙和沿面距離規範，並且在寬廣溫度範圍內額定功率為 3 W。