推挽式转换器原理、作用、设计及演示

在使用电力电子设备时，DC-DC 转换器拓扑对于实际设计变得非常重要。电力电子领域主要有两种主要的 DC-DC 转换拓扑，即开关转换器和线性转换器。

现在根据能量守恒定律，我们知道能量不能被创造，也不能被消灭，只能转化。开关稳压器也是如此，任何转换器的输出功率（瓦数）都是电压和电流的乘积，DC-DC转换器理想地转换电压或电流，而瓦数是恒定的。一个例子是 5V 输出可以提供 2A 电流的情况。之前我们设计了一个5V、2A SMPS 电路，您可以检查一下是否是您正在寻找的东西。

现在考虑一种情况，我们需要为特定应用将其更改为 10V 输出。现在，如果在这个地方使用 DC-DC 转换器，并且 10W 输出的 5V 2A 是恒定的，理想情况下，DC-DC 转换器会将电压转换为 10V，额定电流为 1A。这可以使用不断切换开关电感器的升压开关拓扑来完成。

另一种昂贵但有用的方法是使用推挽式转换器。推挽式转换器开辟了许多转换可能性，例如降压、升压、降压-升压、隔离甚至非隔离拓扑，它也是电力电子中使用的最古老的开关拓扑之一，需要最少的组件来生产具有多个输出电压的中等功率输出（通常为 150W 至 500W）。人们需要改变变压器绕组以改变隔离推挽转换器电路中的输出电压。

然而，所有这些特征都在我们的脑海中提出了许多问题。比如，推挽式转换器是如何工作的？ 构建推挽式转换器电路的重要组件是什么？因此，请继续阅读，我们将找到所有必要的答案，最后，我们将构建一个用于演示和测试的实用电路。

推挽式转换器的构造

名字就有答案。Push 和 Pull 对于同一件事有两个相反的含义。Push-Pull 通俗地说是什么意思？字典上说推动这个词的意思是通过使用力量将人或物体移到一边而前进。在推挽式 DC-DC 转换器中，推定义为推动电流或馈入电流。现在，拉是什么意思？再一次，字典说要对某人或某物施加力量以引起对自己的运动。在推挽式转换器中，再次被拉动的是电流。

因此，推挽式转换器是一种开关转换器，其中电流不断地推入某物并不断地从某物拉出。这是一种反激变压器或电感器。电流不断地从变压器中推拉。使用这种推挽方法，变压器将磁通量传输到次级线圈并提供某种隔离电压。

现在，由于这是一种开关稳压器，也因为变压器需要以电流需要同步推拉的方式进行切换，为此我们需要某种开关稳压器。这里需要一个异步推挽驱动器。现在，很明显这些开关是用不同类型的晶体管或Mosfet制成的。

电子市场上有许多推挽式驱动器可以立即用于推挽式对话相关工作。

在下面的列表中可以找到一些这样的驱动器 IC：-

1. LT3999
2. MAX258
3. MAX13253
4. LT3439
5. TL494

推挽式转换器如何工作？

为了理解推挽式转换器的工作原理，我们画了一个基本电路，它是一个基本的半桥推挽式转换器，如下图所示，为了简单起见，我们覆盖了半桥拓扑，但还有另一种常见的拓扑结构可用，即全桥推挽式转换器。

推挽式转换器

两个NPN晶体管将启用推挽功能。两个晶体管 Q1 和 Q2 不能同时导通。当 Q1 开启时，Q2 将保持关闭状态，当 Q1 关闭时，Q2 将开启。它会按顺序发生，并将继续循环。

我们可以看到，上面的电路使用了一个变压器，这是一个隔离的推挽式转换器。

推挽式转换器工作

上图是 Q1 开启，Q2 关闭的状态。因此，电流将流过变压器的中心抽头，并通过晶体管 Q1 接地，而 Q2 将阻止变压器另一个抽头上的电流流动。当 Q2 打开而 Q1 保持关闭时，情况正好相反。每当电流发生变化时，变压器就会将能量从初级侧传输到次级侧。

推挽转换器波形

上图对于检查这是如何发生的非常有用，起初，电路中没有电压或电流。Q1 开启，当电路现在闭合时，一个恒定电压首先冲击到抽头。电流开始增加，然后电压被感应到次级侧。

在下一阶段，经过一段时间延迟后，晶体管 Q1 关闭，Q2 开启。这里有一些重要的工作 -变压器寄生电容 电感形成一个 LC 电路，该电路开始以相反的极性切换。电荷开始通过变压器的另一个抽头绕组以相反的方向流回。以这种方式，这两个晶体管以交替模式不断推动电流。但是，由于牵引是由 LC 电路和变压器的中心抽头完成的，因此称为推挽拓扑。通常以这样一种方式描述，即两个晶体管交替推动电流，命名为常规推挽式，其中晶体管不拉动电流。负载波形看起来像锯齿，但是，它不是上面波形中显示的。

我们已经了解了推挽式转换器设计的工作原理，让我们继续为它构建一个实际电路，然后我们可以在工作台上对其进行分析。

构建实用推挽式转换器所需的组件

好吧，下面的电路是在面包板上构建的。用于测试电路的组件如下 -

1. 2 个具有相同额定值的电感器 - 220uH 5A 环形电感器。
2. 0.1uF 聚酯薄膜电容器 - 2 个
3. 1k 电阻 1% - 2 个
4. ULN2003 达林顿对晶体管
5. 100uF 50V电容

一个实用的推挽式转换器电路图

实用推挽式转换器电路图

原理图非常简单。我们来分析一下连接，ULN2003是达林顿对晶体管阵列。该晶体管阵列非常有用，因为芯片组内部提供续流二极管，并且它不需要任何额外的组件，从而避免了面包板上任何额外的复杂布线。对于同步驱动器，我们使用了一个简单的 RC 定时器，它将同步打开和关闭晶体管，从而在电感器上产生推挽效应。

实用推挽式转换器 - 工作

电路的工作很简单。让我们移除达林顿对并使用两个晶体管 Q1 和 Q2 使电路变得简单。

实用的推挽式转换器工作

RC 网络与 Q1 和 Q2 的基极交叉连接，它们使用称为再生反馈的反馈技术打开备用晶体管。

它开始像这样运行 - 当我们将电压施加到变压器的中心抽头（两个电感器之间的公共连接处）时，电流将流过变压器。根据极性的磁通密度和饱和度，负极或正极，电流首先为 C1 和 R1 或 C2 和 R2 充电，而不是同时为两者充电。让我们假设 C1 和 R1 首先获得电流。C1 和 R1 提供了一个定时器，它开启了晶体管 Q2。变压器的 L2 部分将利用磁通量感应电压。在这种情况下，C2 和 R2 开始充电并打开 Q1。然后变压器的 L1 部分感应出电压。时序或频率完全取决于输入电压、变压器或电感器的饱和磁通、初级匝数、磁芯的横截面积平方厘米。

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

其中 Vin 是输入电压，10 8是一个常数值，β s 是将反映在变压器上的磁芯饱和磁通密度，A 是横截面积，N 是匝数。

测试推挽式转换器电路

为了测试电路，需要以下工具 -

1. 两毫米 - 一个用于检查输入电压，另一个用于输出电压
2. 示波器
3. 台式电源。

电路在面包板上构建，功率缓慢增加。输入电压为 2.16V，而输出电压为 8.12V，几乎是输入电压的四倍。

但是，该电路没有使用任何反馈拓扑，因此输出电压不是恒定的，也不是隔离的。

在示波器中观察推挽的频率和切换-

因此，该电路现在充当输出电压不恒定的推挽升压转换器。预计这款推挽式转换器可以提供高达 2W 的功率，但由于缺乏反馈生成，我们尚未对其进行测试。

结论

该电路是推挽式转换器的一种简单形式。但是，始终建议使用适当的推挽式驱动器 IC 来获得所需的输出。该电路可以以隔离或非隔离的方式构建，推挽转换中的任何拓扑都可以构建。

下面的电路是受控推挽式直流到直流转换器的适当电路。它是一款使用 LT3999 的 1:1 推挽式转换器，适用于 Analog Devices (Linear Technologies)。

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