プッシュプルコンバーターの設計方法–基本的な理論、構築、およびデモンストレーション

パワーエレクトロニクスでの作業に関しては、DC-DCコンバータトポロジは実際の設計にとって非常に重要になります。パワーエレクトロニクスで利用可能な主なDC-DC変換トポロジには、主にスイッチングコンバータとリニアコンバータの2種類があります。

エネルギー保存の法則から、エネルギーは生成も破壊もできず、変換することしかできないことがわかります。スイッチングレギュレータについても同じことが言えます。コンバータの出力電力（ワット数）は電圧と電流の積であり、DC-DCコンバータは理想的には、ワット数が一定の状態で電圧または電流を変換します。例として、5V出力が2Aの電流を供給できる状況が考えられます。以前、5V、2A SMPS回路を設計しましたが、それがあなたが探しているものであるかどうかを確認できます。

ここで、特定のアプリケーション用に10V出力に変更する必要がある状況を考えてみましょう。ここでDC-DCコンバーターが使用され、10W出力である5V 2Aが一定である場合、理想的にはDC-DCコンバーターは電圧を1Aの電流定格で10Vに変換します。これは、スイッチングインダクタが常にスイッチングされるブーストスイッチングトポロジを使用して実行できます。

もう1つのコストがかかるが便利な方法は、プッシュプルコンバーターを使用することです。プッシュプルコンバータは、バック、ブースト、バックブースト、絶縁トポロジ、または非絶縁トポロジなど、多くの変換の可能性を開きます。また、パワーエレクトロニクスで使用される最も古いスイッチングトポロジの1つであり、最小限のコンポーネントで製造できます。複数の出力電圧を備えた中出力（通常-150W〜500W）。絶縁型プッシュプルコンバータ回路の出力電圧を変更するには、トランス巻線を変更する必要があります。

しかし、これらすべての機能は私たちの心に多くの疑問を投げかけます。同様に、プッシュプルコンバータはどのように機能しますか？ プッシュプルコンバータ回路を構築するために重要なコンポーネントは何ですか？それで、一緒に読んで、私たちはすべての必要な答えを見つけます、そして最後に、私たちはデモンストレーションとテストのための実用的な回路を構築するでしょう、それでそれを始めましょう。

プッシュプルコンバーターの構築

名前に答えがあります。プッシュとプルには、同じことの2つの反対の意味があります。素人の言葉でプッシュプルの意味は何ですか？辞書によれば、プッシュという言葉は、力を使って人や物を追い越して脇に移動することで前進することを意味します。プッシュプルDC-DCコンバータ、プッシュ定義は、現在のを押すか、電流を流します。さて、プルとはどういう意味ですか？繰り返しになりますが、辞書には、誰かまたは何かに力を加えて自分に向かって動くようにと書かれています。プッシュプルコンバータでは、プルされるのは再び電流です。

したがって、プッシュプルコンバータは、電流が常に何かに押し込まれ、常に何かから引き出されるタイプのスイッチングコンバータです。これは、フライバックトランスまたはインダクタの一種です。電流は常に変圧器から押し出されます。このプッシュプル方式を使用して、トランスは磁束を2次コイルに転送し、ある種の絶縁電圧を提供します。

さて、これは一種のスイッチングレギュレータであり、電流を同期的に押したり引いたりする必要があるようにトランスを切り替える必要があるため、何らかのスイッチングレギュレータが必要です。ここでは、非同期のプッシュプルドライバーが必要です。さて、スイッチがさまざまなタイプのトランジスタまたはMOSFETで作られていることは明らかです。

エレクトロニクス市場には、プッシュプル会話関連の作業にすぐに使用できるプッシュプルドライバーがたくさんあります。

そのようなドライバICのいくつかは以下のリストにあります-

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

プッシュプルコンバーターはどのように機能しますか？

プッシュプルコンバータの動作原理を理解するために、基本的なハーフブリッジプッシュプルコンバータである基本回路を描きました。以下に示すように、簡単にするために、ハーフブリッジトポロジについて説明しました。しかし、利用可能な別の一般的なトポロジがあり、それはフルブリッジプッシュプルコンバータとして知られています。

2つのNPNトランジスタがプッシュプル機能を有効にします。2つのトランジスタQ1とQ2を同時にオンにすることはできません。Q1をオンにすると、Q2はオフのままになり、Q1をオフにすると、Q2がオンになります。これは順次発生し、ループとして継続します。

ご覧のとおり、上記の回路はトランスを使用しており、これは絶縁型プッシュプルコンバータです。

上の画像は、Q1がオンになり、Q2がオフになる状態を示しています。したがって、電流はトランスのセンタータップを通って流れ、トランジスタQ1を介してグランドに流れ、Q2はトランスのもう一方のタップの電流を遮断します。Q2がオンになり、Q1がオフのままになると、まったく逆のことが起こります。電流の変化が発生するたびに、変圧器はエネルギーを一次側から二次側に転送します。

上のグラフは、これがどのように発生するかを確認するのに非常に役立ちます。最初は、回路に電圧や電流が流れていませんでした。Q1がオンになり、回路が閉じられると、定電圧が最初にタップにかかります。電流が増加し始め、次に電圧が二次側に誘導されます。

次のフェーズでは、時間遅延の後、トランジスタQ1がオフになり、Q2がオンになります。ここで、いくつかの重要なことが機能します。トランスの寄生容量とインダクタンスがLC回路を形成し、反対の極性でスイッチングを開始します。電荷は、トランスのもう一方のタップ巻線を通って反対方向に逆流し始めます。このようにして、電流はこれら2つのトランジスタによって常に代替モードで押し出されます。ただし、プルはLC回路とトランスのセンタータップによって行われるため、プッシュプルトポロジと呼ばれます。多くの場合、2つのトランジスタが電流を交互にプッシュするように記述され、トランジスタが電流をプルしないという規則のプッシュプルと呼ばれます。負荷波形はのこぎり波のように見えますが、上記の波形にはありません。

プッシュプルコンバータの設計がどのように機能するかを学んだので、実際の回路の構築に移り、ベンチでそれを分析できます。しかしその前に、回路図を見てみましょう。

実用的なプッシュプルコンバーターを構築するために必要なコンポーネント

さて、以下の回路はブレッドボード上に構築されています。回路のテストに使用されるコンポーネントは次のとおりです-

1. 同じ定格の2個のインダクタ-220uH5Aトロイダルインダクタ。
2. 0.1uFポリエステルフィルムコンデンサ-2個
3. 1k抵抗1％-2個
4. ULN2003ダーリントンペアトランジスタ
5. 100uF50Vコンデンサ

実用的なプッシュプルコンバータの回路図

回路図は非常に単純です。接続を分析してみましょう。ULN2003はダーリントンペアトランジスタアレイです。このトランジスタアレイは、フリーホイーリングダイオードがチップセット内で利用可能であり、追加のコンポーネントを必要としないため、ブレッドボードでの追加の複雑なルーティングを回避できるので便利です。同期ドライバーの場合、トランジスターを同期的にオン/オフしてインダクター全体にプッシュプル効果を作成する単純なRCタイマーを使用しています。

実用的なプッシュプルコンバーター-動作中

回路の動作は簡単です。ダーリントンペアを削除し、2つのトランジスタQ1とQ2を使用して回路を単純にしましょう。

RCネットワークはQ1とQ2のベースと交差位置で接続されており、再生フィードバックと呼ばれるフィードバック技術を使用して代替トランジスタをオンにします。

このように動作を開始します-トランスのセンタータップ（2つのインダクタ間の共通接続）に電圧を印加すると、電流がトランスを流れます。磁束密度と極性の飽和度（負または正）に応じて、電流は最初にC1とR1、またはC2とR2の両方ではなく、充電されます。 C1とR1が最初に電流を取得すると想像してみましょう。 Ｃ１およびＲ１は、トランジスタＱ２をオンにするタイマーを提供する。変圧器のL2セクションは磁束を使用して電圧を誘導します。この状況では、C2とR2が充電を開始し、Q1をオンにします。次に、変圧器のL1セクションが電圧を誘導します。タイミングまたは周波数は、入力電圧、トランスまたはインダクタの飽和磁束、一次巻線、コアの断面平方センチメートル面積に完全に依存します。周波数の式は-

F =（V_における10 * ⁸）/（4 *β _S * A * N）

Vinは入力電圧、10である^8が一定値であり、β _Sは 変圧器に反映されるコアの飽和磁束密度であり、Aは断面積であり、Nは巻き数です。

プッシュプルコンバータ回路のテスト

回路をテストするには、次のツールが必要です-

1. 2ミリメートル-1つは入力電圧をチェックするためのもので、もう1つは出力電圧のためのものです
2. オシロスコープ
3. ベンチ電源。

回路はブレッドボードで構成され、電力はゆっくりと増加します。入力電圧は2.16Vですが、出力電圧は8.12Vで、入力電圧のほぼ4倍です。

ただし、この回路はフィードバックトポロジを使用しないため、出力電圧は一定ではなく、絶縁もされていません。

プッシュプルの周波数とスイッチングは、オシロスコープで観察されます-

したがって、回路は現在、出力電圧が一定ではないプッシュプルブーストコンバータとして機能しています。このプッシュプルコンバータは最大2Wのワット数を提供できると予想されますが、フィードバックが生成されないため、テストしていません。

結論

この回路は、プッシュプルコンバータの単純な形式です。ただし、 目的の出力には適切なプッシュプルドライバ ICを使用することを常にお勧めします。回路は、絶縁型または非絶縁型のプッシュプル変換のトポロジを構築できる方法で構築できます。

以下の回路は、制御されたプッシュプルDC-DCコンバータの適切な回路です。これは、アナログ・デバイセズ（Linear Technologies）にLT3999を使用した1：1プッシュプルコンバーターです。

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