Введение
Конвертер push-pull – это тип DC-DC преобразователя, импульсный преобразователь, использующий трансформатор для изменения напряжения источника постоянного тока. Отличительной особенностью push-pull преобразователя является то, что первичная обмотка трансформатора питается током от входной линии парами транзисторов в симметричной схеме push-pull. Транзисторы попеременно включаются и выключаются, периодически изменяя направление тока в трансформаторе. Таким образом, ток потребляется из сети в течение обеих половин цикла переключения. Это отличается от повышающе-понижающих преобразователей (buck-boost), в которых входной ток обеспечивается одним транзистором, который включается и выключается, поэтому ток потребляется из сети только в течение части цикла переключения. В течение остальной части цикла выходная мощность обеспечивается энергией, запасенной в индуктивностях или конденсаторах источника питания. Push-pull преобразователи характеризуются более стабильным входным током, создают меньше помех на входной линии и более эффективны в приложениях с высокой мощностью.
Схема
Концептуальная схема полномостового преобразователя. Это не преобразователь с центральным отводом или разделенной первичной обмоткой, работающий по принципу push-pull. Термин "push-pull" иногда используется для обозначения любого преобразователя с двунаправленным возбуждением трансформатора. Например, в полномостовом преобразователе переключатели (соединенные в виде H-моста) попеременно изменяют напряжение на первичной стороне трансформатора, заставляя его работать аналогично при питании переменным током и создавать напряжение на вторичной стороне. Однако, чаще всего под push-pull понимают двухпереключательую топологию с разделенной первичной обмоткой. В любом случае, выходной сигнал затем выпрямляется и подается на нагрузку. На выходе часто устанавливают конденсаторы для фильтрации пульсаций переключения. На практике необходимо предусматривать небольшой интервал времени между включением трансформатора в одном направлении и включением в другом: "переключатели" обычно представляют собой пары транзисторов (или аналогичных устройств), и одновременное включение обоих транзисторов в паре может привести к короткому замыканию источника питания. Поэтому для предотвращения этой проблемы требуется небольшая задержка. Это время задержки называется "мертвым временем" и необходимо для предотвращения сквозного тока через транзисторы.
Транзисторы
Могут использоваться силовые транзисторы n- и p-типа. Для этой роли часто выбирают мощные MOSFET из-за их высокой способности к переключению тока и их низкого сопротивления в открытом состоянии. Затворы или базы силовых транзисторов подключаются через резистор к одному из напряжений питания. Транзистор p-типа используется для подтяжки затвора силового транзистора n-типа (с общей базой), а транзистор n-типа – для подтяжки затвора силового транзистора p-типа. В качестве альтернативы, все силовые транзисторы могут быть n-типа, которые обеспечивают примерно в три раза больший коэффициент усиления, чем их p-типовые аналоги. В этом случае транзистор n-типа, используемый вместо транзистора p-типа, должен управляться следующим образом: напряжение усиливается одним транзистором p-типа и одним транзистором n-типа в конфигурации с общей базой до уровня от одного рельса до другого. Затем силовой транзистор управляется в конфигурации с общим стоком для усиления тока. В высокочастотных приложениях оба транзистора управляются с общим источником. Поскольку транзисторы работают попеременно, устройство называется преобразователем с выходным каскадом push-pull.
The voltage is amplified by one P type transistor and one N type transistor in common base configuration to rail to rail amplitude. Then the power transistor is driven in common drain configuration to amplify the current. In high frequency applications both transistors are driven with common source. Because the transistors operate in an alternating fashion, the device is called a push pull converter.
Операция
Если оба транзистора находятся во включенном состоянии, возникает короткое замыкание. С другой стороны, если оба транзистора выключены, возникают пики высокого напряжения из-за противо-ЭДС. Если драйвер транзисторов достаточно мощный и быстрый, противо-ЭДС не успевает повысить напряжение на обмотках и, следовательно, на встроенном диоде MOSFET до высоких значений. Если используется микроконтроллер, его можно использовать для измерения пикового напряжения и цифровой регулировки времени включения транзисторов, чтобы пик возникал лишь незначительно. Это особенно полезно при запуске транзисторов от холодного состояния, когда пиков нет, и в фазе запуска. Цикл начинается с нулевого напряжения и тока. Затем включается один транзистор, на первичную обмотку подается постоянное напряжение, ток линейно возрастает, а во вторичной обмотке индуцируется постоянное напряжение. Через некоторое время T транзистор выключается, и паразитные емкости транзисторов и трансформатора, а также индуктивность трансформатора образуют LC-контур, который переключается на противоположную полярность. Затем включается другой транзистор. В течение того же времени T заряд возвращается в накопительный конденсатор, затем автоматически меняет направление, и в течение еще одного времени T заряд течет в трансформатор. Затем снова включается первый транзистор, пока ток не прекратится. После этого цикл завершается, и новый цикл может начаться в любое время позже. S-образная форма тока необходима для повышения эффективности по сравнению с более простыми преобразователями и эффективной работы с остаточной намагниченностью.