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.

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.