推挽式轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造及工作過程

在使用電力電子設(shè)備時(shí)，DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)變得非常重要。電力電子領(lǐng)域主要有兩種主要的 DC-DC 轉(zhuǎn)換拓?fù)?，即開關(guān)轉(zhuǎn)換器和線性轉(zhuǎn)換器。

現(xiàn)在根據(jù)能量守恒定律，我們知道能量不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能轉(zhuǎn)化。開關(guān)穩(wěn)壓器也是如此，任何轉(zhuǎn)換器的輸出功率（瓦數(shù)）都是電壓和電流的乘積，DC-DC轉(zhuǎn)換器理想地轉(zhuǎn)換電壓或電流，而瓦數(shù)是恒定的。一個(gè)例子是 5V 輸出可以提供 2A 電流的情況。之前我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)5V、2A SMPS 電路，您可以檢查一下是否是您正在尋找的東西。

現(xiàn)在考慮一種情況，我們需要為特定應(yīng)用將其更改為 10V 輸出?，F(xiàn)在，如果在這個(gè)地方使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，并且 10W 輸出的 5V 2A 是恒定的，理想情況下，DC-DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)將電壓轉(zhuǎn)換為 10V，額定電流為 1A。這可以使用不斷切換開關(guān)電感器的升壓開關(guān)拓?fù)鋪硗瓿伞?/p>

另一種昂貴但有用的方法是使用推挽式轉(zhuǎn)換器。推挽式轉(zhuǎn)換器開辟了許多轉(zhuǎn)換可能性，例如降壓、升壓、降壓-升壓、隔離甚至非隔離拓?fù)洌彩请娏﹄娮又惺褂玫淖罟爬系拈_關(guān)拓?fù)渲?，需要最少的組件來生產(chǎn)具有多個(gè)輸出電壓的中等功率輸出（通常為 150W 至 500W）。人們需要改變變壓器繞組以改變隔離推挽轉(zhuǎn)換器電路中的輸出電壓。

然而，所有這些特征都在我們的腦海中提出了許多問題。比如，推挽式轉(zhuǎn)換器是如何工作的？ 構(gòu)建推挽式轉(zhuǎn)換器電路的重要組件是什么？因此，請(qǐng)繼續(xù)閱讀，我們將找到所有必要的答案，最后，我們將構(gòu)建一個(gè)用于演示和測(cè)試的實(shí)用電路，所以讓我們開始吧。

推挽式轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造

名字就有答案。Push 和 Pull 對(duì)于同一件事有兩個(gè)相反的含義。Push-Pull 通俗地說是什么意思？字典上說推動(dòng)這個(gè)詞的意思是通過使用力量將人或物體移到一邊而前進(jìn)。在推挽式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，推定義為推動(dòng)電流或饋入電流?，F(xiàn)在，拉是什么意思？再一次，字典說要對(duì)某人或某物施加力量以引起對(duì)自己的運(yùn)動(dòng)。在推挽式轉(zhuǎn)換器中，再次被拉動(dòng)的是電流。

因此，推挽式轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其中電流不斷地推入某物并不斷地從某物拉出。這是一種反激變壓器或電感器。電流不斷地從變壓器中推拉。使用這種推挽方法，變壓器將磁通量傳輸?shù)酱渭?jí)線圈并提供某種隔離電壓。

現(xiàn)在，由于這是一種開關(guān)穩(wěn)壓器，也因?yàn)樽儔浩餍枰赃@樣的方式切換，即電流需要同步推拉，為此我們需要某種開關(guān)穩(wěn)壓器。這里需要一個(gè)異步推挽驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)在，很明顯這些開關(guān)是用不同類型的晶體管或Mosfet制成的。

電子市場(chǎng)上有許多推挽式驅(qū)動(dòng)器可以立即用于推挽式對(duì)話相關(guān)工作。

在下面的列表中可以找到一些這樣的驅(qū)動(dòng)器 IC：-

LT3999

MAX258

MAX13253

LT3439

TL494

推挽式轉(zhuǎn)換器如何工作？

為了理解推挽式轉(zhuǎn)換器的工作原理，我們畫了一個(gè)基本電路，它是一個(gè)基本的半橋推挽式轉(zhuǎn)換器，如下圖所示，為了簡(jiǎn)單起見，我們覆蓋了半橋拓?fù)?，但還有另一種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用，即全橋推挽式轉(zhuǎn)換器。

兩個(gè)NPN 晶體管將啟用推挽功能。兩個(gè)晶體管 Q1 和 Q2 不能同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng) Q1 開啟時(shí)，Q2 將保持關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，Q2 將開啟。它會(huì)按順序發(fā)生，并將繼續(xù)循環(huán)。

我們可以看到，上面的電路使用了一個(gè)變壓器，這是一個(gè)隔離的推挽式轉(zhuǎn)換器。

上圖是 Q1 開啟，Q2 關(guān)閉的狀態(tài)。因此，電流將流過變壓器的中心抽頭，并通過晶體管 Q1 接地，而 Q2 將阻止變壓器另一個(gè)抽頭上的電流流動(dòng)。當(dāng) Q2 打開而 Q1 保持關(guān)閉時(shí)，情況正好相反。每當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，變壓器就會(huì)將能量從初級(jí)側(cè)傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)。

上圖對(duì)于檢查這是如何發(fā)生的非常有用，起初，電路中沒有電壓或電流。Q1 開啟，當(dāng)電路現(xiàn)在閉合時(shí)，一個(gè)恒定電壓首先沖擊到抽頭。電流開始增加，然后電壓被感應(yīng)到次級(jí)側(cè)。

在下一階段，經(jīng)過一段時(shí)間延遲后，晶體管 Q1 關(guān)閉，Q2 開啟。這里有一些重要的工作 -變壓器寄生電容 電感形成一個(gè) LC 電路，該電路開始以相反的極性切換。電荷開始通過變壓器的另一個(gè)抽頭繞組以相反的方向流回。以這種方式，這兩個(gè)晶體管以交替模式不斷推動(dòng)電流。但是，由于牽引是由 LC 電路和變壓器的中心抽頭完成的，因此稱為推挽拓?fù)?。通常以這樣一種方式描述，即兩個(gè)晶體管交替推動(dòng)電流，命名為常規(guī)推挽式，其中晶體管不拉動(dòng)電流。負(fù)載波形看起來像鋸齒，但是，它不是上面波形中顯示的。

我們已經(jīng)了解了推挽式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的工作原理，讓我們繼續(xù)為它構(gòu)建一個(gè)實(shí)際電路，然后我們可以在工作臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行分析。但在此之前，讓我們看一下原理圖。

構(gòu)建實(shí)用推挽式轉(zhuǎn)換器所需的組件

好吧，下面的電路是在面包板上構(gòu)建的。用于測(cè)試電路的組件如下 -

2 個(gè)具有相同額定值的電感器 - 220uH 5A 環(huán)形電感器。

0.1uF 聚酯薄膜電容器 - 2 個(gè)

1k 電阻 1% - 2 個(gè)

ULN2003 達(dá)林頓對(duì)晶體管

100uF 50V電容

一個(gè)實(shí)用的推挽式轉(zhuǎn)換器電路圖

原理圖非常簡(jiǎn)單。我們來分析一下連接，ULN2003是達(dá)林頓對(duì)晶體管陣列。該晶體管陣列非常有用，因?yàn)?a target="_blank">芯片組內(nèi)部提供續(xù)流二極管，并且它不需要任何額外的組件，從而避免了面包板上任何額外的復(fù)雜布線。對(duì)于同步驅(qū)動(dòng)器，我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 定時(shí)器，它將同步打開和關(guān)閉晶體管，從而在電感器上產(chǎn)生推挽效應(yīng)。

實(shí)用推挽式轉(zhuǎn)換器 - 工作

電路的工作很簡(jiǎn)單。讓我們移除達(dá)林頓對(duì)并使用兩個(gè)晶體管 Q1 和 Q2 使電路變得簡(jiǎn)單。

RC 網(wǎng)絡(luò)與 Q1 和 Q2 的基極交叉連接，它們使用稱為再生反饋的反饋技術(shù)打開備用晶體管。

它開始像這樣運(yùn)行 - 當(dāng)我們將電壓施加到變壓器的中心抽頭（兩個(gè)電感器之間的公共連接處）時(shí)，電流將流過變壓器。根據(jù)極性的磁通密度和飽和度，負(fù)極或正極，電流首先為 C1 和 R1 或 C2 和 R2 充電，而不是同時(shí)為兩者充電。讓我們假設(shè) C1 和 R1 首先獲得電流。C1 和 R1 提供了一個(gè)定時(shí)器，它開啟了晶體管 Q2。變壓器的 L2 部分將利用磁通量感應(yīng)電壓。在這種情況下，C2 和 R2 開始充電并打開 Q1。然后變壓器的 L1 部分感應(yīng)出電壓。時(shí)序或頻率完全取決于輸入電壓、變壓器或電感器的飽和磁通、初級(jí)匝數(shù)、磁芯的橫截面積平方厘米。

f = （V in * 10 8 ） / （4 * β s * A * N）

其中 Vin 是輸入電壓，10 8是一個(gè)常數(shù)值，β s 是將反映在變壓器上的磁芯飽和磁通密度，A 是橫截面積，N 是匝數(shù)。

測(cè)試推挽式轉(zhuǎn)換器電路

為了測(cè)試電路，需要以下工具 -

兩毫米 - 一個(gè)用于檢查輸入電壓，另一個(gè)用于輸出電壓

示波器

臺(tái)式電源。

電路在面包板上構(gòu)建，功率緩慢增加。輸入電壓為 2.16V，而輸出電壓為 8.12V，幾乎是輸入電壓的四倍。

但是，該電路沒有使用任何反饋拓?fù)?，因此輸出電壓不是恒定的，也不是隔離的。

在示波器中觀察推挽的頻率和切換-

因此，該電路現(xiàn)在充當(dāng)輸出電壓不恒定的推挽升壓轉(zhuǎn)換器。預(yù)計(jì)這款推挽式轉(zhuǎn)換器可以提供高達(dá) 2W 的功率，但由于缺乏反饋生成，我們尚未對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)論

該電路是推挽式轉(zhuǎn)換器的一種簡(jiǎn)單形式。但是，始終建議使用適當(dāng)?shù)耐仆焓津?qū)動(dòng)器 IC 來獲得所需的輸出。該電路可以以隔離或非隔離的方式構(gòu)建，推挽轉(zhuǎn)換中的任何拓?fù)涠伎梢詷?gòu)建。

下面的電路是受控推挽式直流到直流轉(zhuǎn)換器的適當(dāng)電路。它是一款使用 LT3999 的 1:1 推挽式轉(zhuǎn)換器，適用于 Analog Devices （Linear Technologies）。