1. Grundprinzip des Push-Pull-Transformators

Der Push-Pull-Transformator ist ein Hochfrequenztransformator, der häufig in leistungselektronischen Geräten wie Schaltnetzteilen und Wechselrichtern verwendet wird. Sein grundlegendes Funktionsprinzip besteht darin, zwei abwechselnd leitende Schaltgeräte (wie MOSFETs oder BJTs) zu verwenden, um die Eingangsspannung über die Primärwicklung des Transformators in eine hochfrequente Wechselspannung umzuwandeln. Die Sekundärwicklung richtet dann die Spannung gleich und filtert sie, um die gewünschte Gleichspannung auszugeben.

Grundschaltungsaufbau:

• Primärwicklung: angeschlossen an zwei abwechselnd leitende Schaltgeräte.

• Sekundärwicklung: Gibt hochfrequente Wechselspannung aus, die gleichgerichtet und gefiltert wird, um Gleichspannung zu erhalten.

• Mittelanzapfung: Die Mittelanzapfung der Primärwicklung ist normalerweise mit dem Pluspol der Eingangsstromversorgung verbunden.

Funktionsprinzip:

• Wenn ein Schaltgerät eingeschaltet wird, fließt Strom durch die Hälfte der Primärwicklung zur Erde und erzeugt einen Magnetfluss in eine Richtung.

• Wenn ein anderes Schaltgerät eingeschaltet wird, fließt Strom durch die andere Hälfte der Primärwicklung zur Erde und erzeugt einen magnetischen Fluss in die entgegengesetzte Richtung.

• Die beiden Schaltgeräte werden abwechselnd eingeschaltet, wodurch der magnetische Fluss im Transformatorkern in zwei Richtungen wechselt und dadurch eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung induziert.

2. Konstruktionsmerkmale von Gegentakttransformatoren

Vorteil:

• Hoher Wirkungsgrad: Aufgrund der abwechselnden Leitung von zwei Schaltgeräten ist die Leitungszeit jedes Geräts relativ kurz, was zu geringen Leitungsverlusten führt.

• Hohe Leistungsdichte: Geeignet für hohe Leistungen, geeignet für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich.

• Isolationsfunktion: Die galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang wird durch einen Transformator erreicht, was die Sicherheit erhöht.

Nachteile:

• Problem der magnetischen Vorspannung: Wenn die Leitungszeiten zweier Schaltgeräte nicht vollständig symmetrisch sind, kann es zu einem Ungleichgewicht im magnetischen Fluss innerhalb des Transformatorkerns kommen, was zu einem Phänomen der magnetischen Vorspannung führt.

• Hohe Anforderungen an Schaltgeräte: Da der Mittelabgriff der Primärwicklung mit dem Pluspol der Eingangsstromversorgung verbunden ist, müssen die Schaltgeräte einer relativ hohen Spannung standhalten.

3.Anwendungsszenarien von Push-Pull-Transformatoren

Push-Pull-Transformatoren werden häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Schaltnetzteil: Es wird verwendet, um die Eingangsgleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umzuwandeln, die dann gleichgerichtet und gefiltert wird, um die erforderliche Gleichspannung auszugeben.

• Wechselrichter: Wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um, um Motoren oder andere Wechselstromlasten anzutreiben.

• Kommunikationsausrüstung: Wird in Leistungsmodulen verwendet, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.

• Industrielle Automatisierungsgeräte: wie SPS, Frequenzumrichter usw., die eine effiziente Stromumwandlung ermöglichen.

4.Entwurfsschritte eines Gegentakttransformators

Schritt 1: Ein- und Ausgabeparameter festlegen

• Eingangsspannungsbereich: Bestimmen Sie die minimalen und maximalen Werte der Eingangsspannung.

• Ausgangsspannung und -strom: Bestimmen Sie die Ausgangsspannung und den maximalen Ausgangsstrom.

Schritt 2: Transformatorparameter auswählen

• Transformator-Windungsverhältnis: Wählen Sie ein geeignetes Windungsverhältnis basierend auf dem Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnis.

• Transformatorkern: Wählen Sie das entsprechende Kernmaterial und die entsprechende Größe aus, um sicherzustellen, dass der Kern nicht in die Sättigung geht.

• Primär- und Sekundärwicklungen: Windungszahl und Drahtdurchmesser der Primär- und Sekundärwicklung entsprechend den Strom- und Spannungsanforderungen auslegen.

Schritt 3: Entwerfen Sie die Antriebsschaltung

• Antriebssignal: Entwerfen Sie zwei Antriebssignale, die abwechselnd eingeschaltet werden, und stellen Sie sicher, dass die beiden Schaltgeräte nicht gleichzeitig eingeschaltet werden.

• Totzeit: Stellen Sie eine geeignete Totzeit ein, um Kurzschlüsse zu verhindern, die durch das gleichzeitige Leiten von zwei Schaltgeräten verursacht werden.

Schritt 4: Entwerfen Sie die Schutzschaltung

• Überstromschutz: Entwerfen Sie eine Überstromschutzschaltung, um eine Überlastung des Transformators und der Schaltgeräte zu verhindern.

• Überspannungsschutz: Entwerfen Sie eine Überspannungsschutzschaltung, um Schäden an der Last durch zu hohe Ausgangsspannung zu verhindern.

5. Tatsächlicher Designfall

Nachfolgend finden Sie ein Designbeispiel eines Push-Pull-DC/DC-Wandlers basierend auf LT3999:

Schaltungsparameter:

• Eingangsspannungsbereich: 10 V bis 15 V

• Ausgangsspannung: 5V

• Ausgangsstrom: 400 mA

Designschritte:

• Auswahl eines Transformators: Wählen Sie einen geeigneten Hochfrequenztransformator und stellen Sie sicher, dass sein Windungsverhältnis und seine Kernparameter den Designanforderungen entsprechen.

• Entwerfen der Ansteuerschaltung: Entwerfen Sie mit dem monolithischen DC/DC-Push-Pull-Treiber LT3999 zwei Ansteuersignale, deren Leitung sich abwechselt.

• Entwerfen Sie Schutzschaltungen: Fügen Sie Überstrom- und Überspannungsschutzschaltungen hinzu, um die Stabilität und Sicherheit des Systems zu gewährleisten.

• Tests und Optimierung: Führen Sie Tests in tatsächlichen Schaltkreisen durch und passen Sie die Schaltkreisparameter an, um die Leistung zu optimieren.

Testergebnisse:

• Ausgangsspannung: Im Eingangsspannungsbereich von 10 V bis 15 V bleibt die Ausgangsspannung bei 5 V.

• Stromverbrauch: Über den gesamten Laststrombereich bleibt der Stromverbrauch niedrig und der Wirkungsgrad hoch.

• Temperatur: Durch die Steuerung des Arbeitszyklus wird die Spannungsdifferenz am LDO verringert und so der Temperaturanstieg unterdrückt.