專利名稱：無鐵芯印刷電路板型變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種印刷電路板型變壓器，特別的是涉及一種可以用作為功率逆流器及變流器的柵極驅(qū)動電路提供絕緣的變壓器。本發(fā)明同時還涉及與變壓器并用的柵極驅(qū)動電路。但也可用在一般需要體積很薄的電路和微型電路上應(yīng)用。
功率逆流器和變流器的柵極驅(qū)動電路，例如MOSFET和IGBT這類的電子開關(guān)，通常要求電氣絕緣。在各種可以采用的絕緣技術(shù)中，使用隔離變壓器可能是最佳方法之一。但是，手工繞制的變壓器和電感器生產(chǎn)成本較高，而且并不能直接成為印刷集成電路的一部分，因此，近期有致力找出人手制變壓器的代替品的研究。
近期的研究方向是直接將變壓器和/或電感器線圈繞在印刷電路板上。在J.M.Bourgeois.″PCB Based Transformer for Power MOSFET Drive″，IEEE APEC′94 pp.238-244可以找到這個方法的例子。除了成本因素之外，印刷電路板型的變壓器和/或電感器受歡迎的原因是其具有自動化生產(chǎn)的可能性。
Bourgeois提出一種印刷電路板型變壓器，用以絕緣大功率MOSFET裝置的柵極驅(qū)動電路。這個變壓器的線圈印在雙面的印刷電路板(PCB)上。但是，Bourgeois的方案仍然需要鐵氧體鐵芯，Bourgeois方案具有一個優(yōu)點(diǎn)是避免了人工繞制的變壓器的使用，因?yàn)椴荒軐⒉徽蹟嗟蔫F氧體鐵芯圈穿過印刷電路板，所以在Bourgeois提出的方法中不能使用普通的鐵氧體鐵芯圈。而是將一套U-I鐵芯或U-U鐵芯粘在一起，形成所要求的封閉的磁路代替使用這種鐵氧體鐵芯。
雖然Bourgeois的構(gòu)思在減低生產(chǎn)成本和提高自動化生產(chǎn)方面有進(jìn)步，但這些好處因需鐵氧體鐵芯以及兩個這樣的鐵氧體鐵芯粘在一起而有所限制。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種無鐵芯的印刷電路板型的變壓器。因?yàn)橥耆恍枰儔浩麒F芯，所以可以減低成本，大大簡化了自動化生產(chǎn)的過程。
根據(jù)本發(fā)明所提供的無鐵芯印刷電路板型變壓器包括初級線圈和次級線圈，分別蝕刻在印刷電路板相對的兩面上，在它們中間沒有鐵芯。
這種設(shè)計(jì)中，用傳統(tǒng)的蝕刻印刷電路板技術(shù)，根據(jù)本發(fā)明的變壓器在雙面印刷電路板的相對側(cè)設(shè)置“線圈”為導(dǎo)電的螺旋形軌，則變壓器可以直接設(shè)置在印刷電路板上。由于不需要使用鐵氧體鐵芯，制造過程可以簡化并可以做為自動化生產(chǎn)的一部分。這種變壓器可以應(yīng)用在信號和能量的傳送。
根據(jù)變壓器線圈的尺寸、初級及次級線圈的匝數(shù)、輸送給次級線圈的負(fù)載的性質(zhì)及大小，這種變壓器可以在寬闊的頻率范圍內(nèi)操作。在信號傳送的應(yīng)用上，輸入電流最小時可以得到最佳操作頻率，最佳操作頻率和該變壓器等效電路的最大阻抗頻率相符。
一般而言，該變壓器的可用頻率大概在100KHz至20MHz之間。當(dāng)頻率低于100kHz時，變壓器的能量損耗可能是一個相當(dāng)嚴(yán)重的問題，不過，通過使用調(diào)制的輸入技術(shù)，該變壓器可以在頻率低于100kHz的情況下使用。該變壓器可以在高頻率載波信號被低頻率信號調(diào)制的情況下操作。舉例來說，載波信號頻率可以是該變壓器的可用高頻頻寬，這個可用頻寬是很高的，例如由100KHz至20MHz，而低頻信號可以由1Hz至300kHz。高頻載波信號應(yīng)該調(diào)較至變壓器的最佳操作頻率。
根據(jù)本發(fā)明的無芯印刷電路板型變壓器特別適用于MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管)及IGBT(絕緣柵極雙極性晶體管)元件的柵極驅(qū)動電路內(nèi)，因?yàn)樵撟儔浩髂軐⒃碗娫唇^緣。
根據(jù)本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器提供柵極驅(qū)動電路給MOSFET和IGBT元件，其中所述元件的柵極和輸入電源被無鐵芯印刷電路板型變壓器絕緣，所述無鐵芯印刷電路板型變壓器包括底面互相對應(yīng)地蝕刻在一塊雙面的印刷電路板上。
此外，該變壓器能在100KHz至20MHz的頻寬操作，但是，該變壓器在它的最大阻抗頻率操作時，效果最理想。如需要在低于可用頻寬的情況下驅(qū)動?xùn)艠O，例如在直流電至300kHz，可以通過調(diào)制技術(shù)，低頻的開關(guān)信號調(diào)制高頻的載波信號最好是變壓器的最佳操作頻率，這個信號通過變壓器后會被解調(diào)，提供一個低頻柵極驅(qū)動信號。
根據(jù)本發(fā)明更提供了一種驅(qū)動功率MOSFET和IGBT元件柵極的方法，能夠驅(qū)動功率MOSFET或IGBT元件，包括通過無鐵芯印刷電路板型變壓器將柵極與電源絕緣，該變壓器的初級和次級線圈是底面互相對應(yīng)地蝕刻在一塊雙面的印刷電路板上，兩個線圈中間沒有變壓器鐵芯。
柵極可以直接被100KHz至20MHz之間的頻率驅(qū)動，但是，在變壓器的最大阻抗頻率之下，變壓器的性能最好。如果要用較低頻率(例如由直流電至300kHz)驅(qū)動?xùn)艠O，可以通過調(diào)制技術(shù)，用低頻開關(guān)信號調(diào)制一個在變壓器的可用頻寬之內(nèi)的載波信號。
如上文所述，本發(fā)明的變壓器可以用于信號或能量傳送，本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器的另一個可能的應(yīng)用是代替用于數(shù)碼數(shù)據(jù)傳送的調(diào)制解調(diào)器內(nèi)的脈沖變壓器，調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳送頻率恰當(dāng)?shù)厥窃谥绷麟娭?00kHz之間，但較典型地是56KHz。
因?yàn)樵撟儔浩鞯捏w積可以很薄，該變壓器也適用于微型電子線路和液晶體電子線路的應(yīng)用上。
下面結(jié)合附圖，通過對具體實(shí)施例的描述將詳細(xì)描述本發(fā)明，其中
圖1A-E描述五個示例的無鐵芯印刷電路板型變壓器；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于調(diào)制高頻印刷電路板型無鐵芯變壓器的電路圖；圖3是一個與圖2相同的電路圖，但這個電路包括了電容性負(fù)載；圖4A和B顯示出圖1C-E的變壓器的計(jì)算和測量出來的初級(a)和次級(b)的線圈電阻圖5A和B顯示出圖1A-E的變壓器在1kΩ電阻性負(fù)載條件下，計(jì)算的(a)電壓增益和(b)相位移；圖6A和B顯示出圖1A-E的變壓器在電容性負(fù)載條件下，計(jì)算的(a)電壓增益和(b)相位移；圖7A和B顯示出圖1C的變壓器在電阻性負(fù)載條件下，計(jì)算、電腦模擬和測量出來的(a)電壓增益和(b)相位移；圖8A和B顯示出圖1C的變壓器在電容性負(fù)載條件下，計(jì)算、電腦模擬和測量出來的(a)電壓增益和(b)相位移；圖9顯示出圖1C的變壓器的功率損耗圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例顯示用于測試變壓器的實(shí)驗(yàn)性柵極驅(qū)動電路的電路圖；圖11顯示出在500kHz頻率下，由根據(jù)本發(fā)明的變壓器作為絕緣，測量型號IRFP450的MOSFET的測量柵-源極電壓(較上波形)和漏-源極電壓(較下波形)；圖12是與圖11相類似的圖，但頻率為1MHz；圖13是與圖11和圖12類似的圖，但頻率為2MHz；圖14是與圖12相一致的圖，但MOSFET為APT5040；圖15是與圖12相一致的圖，但采用絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)IRGPH40KD2；圖16是與圖12相一致的圖，但占空比為百份之十；圖17是與圖16相一致的圖；，但占空比為百份之八十；圖18A和B是顯示圖1C的變壓器的計(jì)算、電腦模擬和測量出來的(a)電壓增益和(b)相位移隨著頻率的變化；圖19顯示出另一個根據(jù)本發(fā)明的變壓器的又一實(shí)施例；圖20顯示了圖19的變壓器的高頻模擬電路，圖21顯示出圖19的變壓器隨著操作頻率而變化的預(yù)測(實(shí)線)和測量(虛線)出來的輸入阻抗數(shù)值，圖22A和B顯示圖19的變壓器隨著操作頻率而變化的預(yù)測(實(shí)線)和測量(虛線)出來的(a)電壓增益和(b)相位移，圖23是一個利用圖19的變壓器作調(diào)制柵極驅(qū)動的電路圖；圖24A和B顯示(a)在1Hz操作頻率下，圖23的柵極驅(qū)動電路的的輸入和輸出信號，以及(b)在300kHz操作頻率下，圖23的柵極驅(qū)動電路的輸入、載波和輸出信號；圖25A和B顯示在(a)1Hz和(b)300kHz操作頻率下，被圖23的電路所驅(qū)動的功率MOSFET的柵-源極電壓(較上波形)和漏-源極電壓(較下波形)；圖26顯示在100kHz操作頻率下，被圖23的電路驅(qū)動的功率MOSFET的柵-源極電壓(較上波形)和漏極電流(較下波形)；圖27是顯示圖23的柵極驅(qū)動電路在占空比為1.0時測量的輸入電流與載波頻率的對比；以及圖28顯示了當(dāng)一個數(shù)碼信號應(yīng)用在傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)輸送頻率時的輸入信號(上部波形)及輸出信號(較下波形)。
圖1A-E展示了五個按照本發(fā)明的實(shí)施例的變壓器。每幅圖都并列顯示了初級和次級線圈。實(shí)際上，初級和次級線圈是用傳統(tǒng)的蝕刻電路板方法，分別蝕刻在一塊1.54毫米厚的電路板的頂部和底部。為了將磁漏電感減到最低，初級和次級線圈底面相對應(yīng)地直接蝕刻在雙面的電路板上。在圖1A-D的變壓器中，初級線圈有10匝，次級線圈有12匝，次級線圈中的額外的兩匝用來補(bǔ)償電壓降。圖1E的變壓器中，初級線圈有12匝，次級線圈有18匝，圖表顯示了所有變壓器的尺寸。圖1A的變壓器與Bourgeois方案的相一致，但缺少了鐵氧體鐵芯。
圖1A-E的五個變壓器都可以驅(qū)動功率元件。但是實(shí)際上，圖1C-E的體積較小，發(fā)展?jié)摿Ω蟆Ｏ挛臅貏e注重分析圖1C-E，但是圖1A和B的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會用來確定電腦模擬結(jié)果及作分析用途。
要用電腦模擬出本發(fā)明變壓器的性能，必須設(shè)計(jì)出一套模型。由于這個變壓器的設(shè)計(jì)要在高頻率下操作，必須考慮線圈之間的磁漏電感和分布電容，由于沒有使用鐵芯，傳統(tǒng)低頻型號變壓器中的鐵損電阻可以忽略不計(jì)。圖2所示的是一個高頻無鐵芯印刷電路板型變壓器模型，其中R1是初級線圈電阻R2是次級線圈電阻RL是電阻負(fù)載Llk1是初級磁漏電感Llk2是相對于初級的次級磁漏LM1是初級互感C1是初級繞組間電容量C2是相對于初級的次級繞組間電容量C12是初級及次級線圈之間的電容量，n是匝數(shù)比根據(jù)這個線路模型，本發(fā)明的印刷電路板型變壓器的傳遞函數(shù)可以用以下的公式(1)-(3)計(jì)算出來，結(jié)果顯示在公式(4)。傳遞函數(shù)是在有負(fù)載的條件下評估的，下文可以看到有負(fù)載的條件影響了變壓器對不同頻率的反應(yīng)，由此而設(shè)定了柵極驅(qū)動電路可能的最高操作頻率。-1R1+sLlk1Vp+(1R1+sLlk1+1sLM1+1R′2+sL′lk2)V1-1R′2+sL′lk2nVs=0--------(1)]]>在交點(diǎn)2，-sC′12Vp-1R′2+sL′lk2V1+(1R′2+sL′lk2+sC′12+1n2RL)nVs=0-------(2)]]>由公式(2)可得，V1=(R′2+sL′lk2)[-sC′12Vp+(1R′2+sL′lk2+sC′12+sC′2+1n2RL)nVs------(3)]]>由公式(1)和(3)可得，⇒VsVp=1n1R1+sLlk1+sC′12[(R′2+sL′lk2)(1R1+sLlk1+1sLM1)+1]-1R′2+sL′lk2+(1R′2+sL′lk2+sC′12+sC′12+1n2RL)[(R′2+sL′lk2)(1R1+sLlk1+1sLM1)+1]---(4)]]>當(dāng)模似本發(fā)明的印刷電路板型變壓器的性能時，還要考慮交流線圈電阻、負(fù)載的特性及共振頻率。
由于趨膚效應(yīng)的結(jié)果，線圈內(nèi)的交流電阻會隨著頻率的增加而增加。R.Goval，在″High-frequency analog interated circuit design″,J.Wilev 1995，頁110-125中，提供了趨膚效應(yīng)的方程式，該方程式修改以適應(yīng)本變壓器模型后，可以知道線圈電阻是R(f)=Ro[1+ffa+(ffb)2]14--------(5)]]>Ro是導(dǎo)電體的直流電阻，f是操作頻率，fa和fb是導(dǎo)電體的臨界頻率。在這個評估性能的模型中，采用了隨著頻率而變的線圈電阻。
由于這個變壓器是為了MOSEFT或IGBT柵極驅(qū)動電路而設(shè)計(jì)的，當(dāng)測試這種電路時，必須考慮負(fù)載條件。實(shí)際上，功率元件的柵-源極大致上可以看作電容和電阻負(fù)載。當(dāng)?shù)刃щ娐酚脕砉┙o電容性負(fù)載時，圖2可以很容易地修改成圖3。
回到共振效率，等效電感Leq如下Leq=L′lk2+Llk1‖LM1------(6)電路的等效電容如下Ceq=C′L+C′2+C′12------(7)從方程式6和7,Leq和Ceq分別是初級線圈的電感值和電容值的函數(shù)。共振頻率是fo=12πLeqCeq---------(8)]]>通過這個模型去評估本發(fā)明變壓器的性能，模型的參數(shù)必須在實(shí)驗(yàn)中測量。這個無鐵芯變壓器設(shè)計(jì)成在高頻下操作(例如由幾百千赫茲至幾兆赫茲的范圍內(nèi))，實(shí)驗(yàn)采用了惠普阻抗分析儀，由一兆赫茲開始，測量模型的電阻和電感值。測量出來的參數(shù)列明在表1。
表1
<p>從表1可以看到，互感隨著線圈面積的增加而增加。圖1C-D中較小的變壓器線圈的電阻是用阻抗分析儀測量的，由10千赫茲至10兆赫茲。它們的直流電阻和臨界頻率列明在表2。
表2
將計(jì)算的與測量的交流線圈電阻相比較，如圖4所示，結(jié)果是一致的。表3列出了五個變壓器在1兆赫茲時測量的變壓器的模型容量。
表3
有了這些測量出來的模型參數(shù)，可以測量和用電腦模擬圖1A-E的變壓器的性能，模擬結(jié)果應(yīng)與測量結(jié)果比較，確保電腦模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，因?yàn)檫@些數(shù)值和特性是由電腦模擬出來的，沒有經(jīng)過測量。
無鐵芯印刷電路板型變壓器的頻率響應(yīng)是由電阻及電容負(fù)載決定的。
用1kΩ的電阻負(fù)載測試無鐵芯變壓器，可以從表3看到C1和C2的數(shù)值是幾皮法，所以測量時必須考慮到探針的電容量。實(shí)驗(yàn)中使用的示波器有兩個探針(每個探針電容量是14pF，頻寬350MHz)。計(jì)算出來的頻率響應(yīng)示出在圖5，從圖5A示出了圖1A-E的無鐵芯印刷電路板型變壓器的模擬電壓增益，圖5B則展示了圖1A-E無鐵芯印刷電路板型的變壓器的模擬相位移。由圖5可以看到，在電阻負(fù)載值為1kΩ時，電壓增益的操作范圍相當(dāng)廣闊，可以由幾百赫茲到最少10兆赫茲。
但是，本發(fā)明的無芯印刷電路板型變壓器的一個主要目的是為MOSFET和IGBT電路提供電氣絕緣。由于在這種應(yīng)用中，功率MOSFET和IGBT都有由幾百皮法至幾毫微法不等的柵電容，所以這是有效的電容負(fù)載。為了研究本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器的性能，電容負(fù)載連接到變壓器的次級。電容量中包括探針的電容量，總的電容量為980pF。一個100kΩ的電阻用來模擬典型的柵極驅(qū)動電路中的電阻元件。圖6A展示了圖1A-E的變壓器在這個電容性負(fù)載下的電壓增益，圖6B展示了相對應(yīng)的相位移。
圖6A展示了電壓增益在某些頻率時清晰的共振峰值。由模型參數(shù)中測量出來的數(shù)值，共振頻率可以在表4中看到。
表4
這些計(jì)算結(jié)果與從圖6A得出來的測量結(jié)果十分相似。
圖5A和6A的比較展示出負(fù)載電容能降低本發(fā)明無鐵芯印刷電路板型變壓器的共振頻率，由此而減少柵極驅(qū)動電路的最高操作頻率。無論如何，MOSFET/IGBT電路的柵電容范圍由幾百皮法至幾毫微法不等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示出這種電路中，本發(fā)明無鐵芯印刷電路板型變壓器能夠在幾百千赫茲至幾兆赫茲的范圍內(nèi)操作。
為進(jìn)一步確認(rèn)觀察結(jié)果，圖1C的變壓器也用PSpice(一種電路模擬軟件包)做模擬實(shí)驗(yàn)，圖7A和B分別展示了測量得到的電壓增益和相位移(帶電阻負(fù)載時)。MATLAB(計(jì)算軟件)用來計(jì)算，PSpice則用來作模擬實(shí)驗(yàn)?？梢钥吹接蓽y量、計(jì)算和模擬所得的結(jié)果是十分相近的。從圖8A和B可以看到有電容負(fù)載時的有關(guān)的結(jié)果，同樣地，三條曲線十分吻合。
圖9表示出在被15伏特的電壓的激勵時，圖1C變壓器在一系列頻率時的功率損耗。從圖9可以看到功率損耗隨著頻率的增加而減少，原因之一是(a)沒有鐵損(鐵損在傳統(tǒng)的芯型變壓器中，會隨著頻率而增加)，(b)由于磁感的阻抗隨著頻率增加，磁化電流隨著頻率的增加而減少。在高頻下這一功率損耗的減小表明了本發(fā)明的無芯印刷電路板型變壓器在高頻之下操作時的顯著的優(yōu)點(diǎn)。
圖10展示了一個使用本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器1的MOSFET柵極驅(qū)動電路。圖10展示該變壓器將APT5040型的MOSFET的柵極(圖中變壓器的右邊)與15伏特的電源(圖中變壓器的左邊)絕緣。這個APT5040型的MOSFET柵電容是1340pF，該柵極驅(qū)動在0.08至0.87的占空比率范圍內(nèi)操作及在500kHz至2MHz的范圍內(nèi)可以成功地操作。另一個實(shí)驗(yàn)用一個柵電容是2700pF的IRF450型MOSFET取代APT 5040型MOSFET。圖11、12和13分別展示了功率MOSFET IRF450分別在500kHz、1MHz和2MHz時測量到的柵-源極電壓(上線)和源-漏極電壓(下線)的波形。圖14和15分別展示功率MOSFET APT5040和IGBTIRGPH40KD2的波形。圖16展示了MOSFET IRF450在10％占空率時的開關(guān)波形。圖17則展示了當(dāng)占空率是80％時的波形。
圖11至17展示出本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器在高頻操作時，很適合用在絕緣柵極驅(qū)動電路中操作。不過，圖9指出了圖1A-E的變壓器在不適于低頻，如低于100kHz。主要原因是本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器的電磁阻抗隨著頻率的減低而減低，所以低頻率時電壓增益也相對地減少。在極低頻率下(例如幾赫茲)只有很少匝(例如10匝)的平面線圈幾乎等于短路，令初級線圈的電流過大，電壓增益過低。
包含無鐵芯印刷電路板型變壓器的柵極驅(qū)動電路的功率損耗包括了變壓器本身的功率損耗和柵極驅(qū)動電路元件的功率損耗。在過低的操作頻率下，該變壓器的功率損耗會過大。一般來說，總功率的損耗會隨著操作頻率的增加而減少，直到損耗來源以電子元件內(nèi)的開關(guān)損耗為主。本發(fā)明的下述實(shí)施例提供了一個解決變壓器在低頻下的操作問題的方案。
通過觀察圖1A-E中變壓器對頻率變化的典型響應(yīng)，可以得出以下結(jié)論(1)在到達(dá)共振頻率之后，變壓器的電壓增益會跌到零，所以可用頻率必須低于共振頻率。
(2)為了將輸入電流和柵極驅(qū)動電路的功率損耗減到最低，無鐵芯變壓器的操作頻率應(yīng)該是或者接近可用頻率的最高頻部分。
(3)在共振附近(剛剛在共振頻率之下)，電壓增益大幅上升，因而令功率MOSFET和IGBT元件可能有快速的開關(guān)時間。
(4)最佳操作頻率應(yīng)是在隔離等效電路的整個變壓器的阻抗值為最大時的頻率。
圖19顯示本發(fā)明的另一個無鐵芯印刷電路板型變壓器的尺寸，該變壓器的匝數(shù)比例是10∶10，圖19的變壓器比圖1A-E的變壓器細(xì)小得多，它的面積只是圖1C的變壓器的百分之二十五。因?yàn)樵趫D19的變壓器的繞線間之電容量是微不足道的(在10MHz的頻率下測量)，圖19的變壓器等效的電路可以簡化成為圖20所示，圖20里的參數(shù)是在10MHz的頻率下測量。
以下會分析最佳的柵極驅(qū)動條件，C1和C2分別表示初級和次級繞線間的等效電容，基于這個高頻模型，圖19的無鐵芯印刷電路板型變壓器的電壓增益(V2/V1)和輸入阻抗(Zin，以初級而言)可以表達(dá)為V2V1=B=1X1+sC12Y1nY--------(1)]]>和Zin=1sC′12(1-nB)+(1-A)X1+sC′1-------(2)]]>然而R′2=n2R2L′lk2=n2Llk2C′1=C1+n-1nC12]]>C′2=1n2C2+1-nn2C12]]>C′12=1nC12]]>X1=R1+sLlk1X2=R′2+sL′lk2Y1=X2[1X1+1sLM1]+1]]>Y2=1X2+sC′12+sC′2+1n2RL]]>Y=-1X2+Y1Y2]]>A=sC′12+X2X1Y2Y]]>共振的頻率是fo=12πLeqCeq--------(3)]]>然而Leq=L′lk2+Llk1∥LM1和Ceq=C′2+C′12。(這里的C′2包括負(fù)載電容)如果柵極驅(qū)動電路采用CMOS邏輯門，操作的頻率限制在10MHz以下，這是由于它的上升及下降時間在10V的操作下大約是50ns，這個頻率限制也局限了包括本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器的柵極驅(qū)動電路的操作頻率。
為分析圖19的變壓器的性能，必須包括初級電路的電容量和負(fù)載電容量。輸入電容C1是120pF(這是一般緩沖器的輸出電容量)而次級線圈帶有一個2kΩ的電阻與一個680pF的電容C2并聯(lián)的負(fù)載，這個負(fù)載電容的選擇提供大約9MHz的共振頻率，該頻率小于CMOS元件的頻率限制10MHz，在這參數(shù)下，圖19的變壓器的預(yù)測及測量的輸入阻抗和頻率響應(yīng)的變化如圖21及22所示。
如圖21及22所示，輸入阻抗的峰值位達(dá)到最大阻抗頻率，該頻率位于可用頻率范圍內(nèi)剛好小于共振頻率。就圖19的變壓器而言，這個頻率大約為8MHz。在最大阻抗頻率，電壓增益很大并能加快MOSFET/IGBT的開關(guān)時間，并且在最大阻抗頻率，相位移也很少。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可以選擇最高阻抗頻率作為無鐵芯印刷電路板型變壓器的最佳操作頻率，在該最佳的操作頻率可使絕緣柵極驅(qū)動電路的功率需求減至最小。這原理普遍地應(yīng)用在本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器，而且能夠直接應(yīng)用在操作于幾佰仟赫茲至幾兆赫茲的開關(guān)頻率的柵極驅(qū)動電路，但是在較低的開關(guān)頻率下，單靠這種變壓器不能直接應(yīng)用在MOSFET/IGBT的柵極驅(qū)動電路上，在這情況下，可以使用調(diào)制柵極驅(qū)動電路。
總括來說，在一個調(diào)制柵極驅(qū)動電路中，無鐵芯印刷電路板型變壓器的操作頻率應(yīng)該是高頻，最好是在上述描述的最佳的最高阻抗頻率，但是這操作頻率是被開關(guān)頻率所調(diào)制。
圖23示出了是一個采用了本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器的測試的調(diào)制柵極驅(qū)動電路，這個電路的最佳操作頻率在2輸入，而且被在3輸入的開關(guān)頻率所調(diào)制，圖23的電路上采用了一個電阻性及電感性的負(fù)載(5Ω及1.1mH)，功率場效應(yīng)管是APT5040，它的承受電壓和電流值分別是500V和16A，一個680pF的電容器并連在次級線圈上，所以無鐵芯印刷電路板型變壓器的共振頻率可被調(diào)節(jié)在9.1MHz。這個負(fù)責(zé)起穩(wěn)定作用的1mF大電容和阻止直流電的0.1mF電容不會顯著地影響變壓器的頻率響應(yīng)，因?yàn)樗鼈兇?lián)了一個通常只有數(shù)個皮法拉第電容量的二極管。次級電路包含了一個倍壓器，作用是升高柵極驅(qū)動電壓。載波頻率，即是操作頻率，調(diào)較為8MHz，是該無鐵芯印刷電路板型變壓器的最大阻抗頻率。
柵極驅(qū)動的輸出信號(即是功率MOSFET的柵-源極電壓)在調(diào)制/解調(diào)過程中被柵極驅(qū)動的輸入信號所控制，因此可以決定功率MOSFET的開關(guān)頻率。
圖24A顯示出在1Hz開關(guān)頻率下，柵極驅(qū)動電路的輸入信號(Vin)和功率(MOSFET)的柵-源極電壓(Vgs)。圖24B顯示出在300kHz開關(guān)頻率下相對應(yīng)的波形和調(diào)制的載波信號(Vc)。在1Hz和300kHz的頻率下，功率MOSFET的柵-源極和漏-源極電壓的開關(guān)波形分別表示在圖25A和B中。圖26顯示出在100kHz的開關(guān)頻率下功率MOSFET的漏-源極電壓和漏極電流的典型波形。這些圖形全部能證明圖19的無鐵芯印刷電路板型變壓器能夠成功地應(yīng)用在低頻的柵極驅(qū)動電路上，開關(guān)頻率范圍由直流至數(shù)百仟赫茲。
圖27顯示出開關(guān)信號在百份之一百占空比時的輸入電流對載波頻率的關(guān)系。由這個損耗最大的情況下，可見輸入電流在大約8MHz的頻率下降最低，這就是無鐵芯印刷電路板型變壓器的最高阻抗頻率，這樣便證實(shí)了柵極驅(qū)動電路的最佳操作條件，這個最壞的情況下，當(dāng)初級柵極驅(qū)動電路的電源是10V時，該柵極驅(qū)動電路的最大損耗是0.9W。
本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器的另一可能的應(yīng)用是取代數(shù)碼數(shù)據(jù)通訊的調(diào)制解調(diào)器里的脈沖變壓器。在這種調(diào)制解調(diào)器中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸頻率是56kHz，并且這是無鐵芯印刷電路板型變壓器的從直流到300kHz頻率范圍內(nèi)極佳的頻率。圖28顯示一個在56kHz頻率下應(yīng)用在柵極驅(qū)動電路的數(shù)碼信號的輸入(較下的波形)和輸出(較上的波形)，由于輸出跟輸入的信號十分接近，這證實(shí)了本發(fā)明的無鐵芯印刷電路板型變壓器可以在傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器的傳送頻率下傳遞數(shù)碼數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1．一種無鐵芯印刷電路板型變壓器，其特征在于所述變壓器包括在印刷電路板的相對側(cè)設(shè)置的初級和次級線圈，在初級和次級線圈之間沒有變壓器鐵芯。
2．如權(quán)利要求1中所述的變壓器，其特征在于所述變壓器在最佳頻率下操作，在該頻率下，變壓器的等效電路的阻抗最大。
3．如權(quán)利要求1中所述的變壓器，其特征在于所述變壓器可以在100KHz至20MHz之間的頻率內(nèi)操作。
4．如權(quán)利要求1中所述的變壓器，其特征在于所述變壓器被由低頻開關(guān)信號調(diào)制的高頻載波信號操作。
5．如權(quán)利要求4中所述的變壓器，其特征在于所述載波信號是在所述變壓器的最大阻抗時出現(xiàn)的最佳操作頻率。
6．如權(quán)利要求4中所述的變壓器，其特征在于所述高頻載波信號的頻率是由100KHz至20MHz，所述低頻開關(guān)信號的頻率是由直流電至300kHz。
7．如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)中的變壓器，其特征在于所述變壓器可用于一體積很薄的電路和微型電路上。
8．一種功率MOSFET和IGBT元件的柵極驅(qū)動電路，其特征在于一無鐵芯印刷電路板型變壓器在所述元件的柵極和輸入電源之間提供絕緣，所述變壓器中包括設(shè)置在一印刷電路板相兩側(cè)的初級和次級線圈。
9．如權(quán)利要求8所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于所述變壓器操作在與所述變壓器的最大阻抗相對應(yīng)的頻率下。
10．如權(quán)利要求8或9所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于在100kHz-20MHz范圍內(nèi)的高頻下驅(qū)動所述變壓器和開關(guān)所述柵極。
11．如權(quán)利要求8或9所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于所述變壓器由一個高頻載波信號驅(qū)動，所述載波信號被一個開關(guān)頻率調(diào)制，用于開關(guān)所述柵極。
12．如權(quán)利要求11所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于所述高頻載波信號的頻率是和該變壓器的最大阻抗相對應(yīng)的最佳操作頻率。
13．如權(quán)利要求11中所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于所述高頻載波信號的頻率在100KHz至20MHz范圍內(nèi)，所述低頻開關(guān)信號的頻率在直流電至300kHz。
14．一種驅(qū)動功率MOSFET或IGBT元件柵極的方法，其特征在于該方法包括利用無鐵芯印刷電路板型變壓器裝置將所述柵極與直流電源隔離，所述變壓器包括設(shè)置在一印刷電路板相對側(cè)的初級和次級線圈，該初級和次級線圈之間沒有變壓器鐵芯。
15．如權(quán)利要求14中所述的方法，其特征在于在所述變壓器的阻抗處于最大時的頻率下驅(qū)動所述柵極。
16．如權(quán)利要求14中所述的方法，其特征在于在從所述100KHz至20MHz范圍內(nèi)的高頻下驅(qū)動所述柵極。
17．如權(quán)利要求14中所述的方法，其特征在于使用一低頻開關(guān)頻率調(diào)制一輸入到所述變壓器的高頻載波信號，其中所述載波信號在通過所述變壓器后被解調(diào)，在所述低頻開關(guān)頻率下驅(qū)動所述柵極。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述載波信號的頻率是與所述變壓器的最大阻抗相對應(yīng)的所述變壓器的最佳頻率。
19．如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述高頻載波信號范圍由100KHz至20MHz，所述低頻開關(guān)信號范圍由直流電至300KHz。
20．一種包括無鐵芯印刷電路板型變壓器的調(diào)制解調(diào)器，用于數(shù)碼數(shù)據(jù)通訊，包括一設(shè)置在印刷電路板相對側(cè)所使用的初級和次級線圈以及該初級和次級線圈之間沒有變壓器鐵芯。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種直接設(shè)置在印刷電路板相對兩側(cè)的無鐵芯變壓器,即該變壓器無需鐵氧體鐵芯。本發(fā)明的變壓器有寬闊的可用頻率,特別可以為驅(qū)動MOSFET和IGBT元件提供絕緣的柵極驅(qū)動電路。當(dāng)上述元件的開關(guān)頻率在低于變壓器的可用頻率之下,可以使用載波信號加以調(diào)制。由于該變壓器可在慣用的調(diào)制解調(diào)器頻率上操作,所以也可應(yīng)用在數(shù)碼數(shù)據(jù)通訊的調(diào)制解調(diào)器上;由于體積很薄,也可應(yīng)用在液晶體顯視屏的電路上和微型電路上。
文檔編號H05K1/16GK1237081SQ99100579
公開日1999年12月1日 申請日期1999年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月5日
發(fā)明者許樹源, 邒世進(jìn) 申請人:香港城市大學(xué)