1. プッシュプルトランスの基本原理

プッシュトランスは、スイッチング電源やインバータなどのパワーエレクトロニクス機器で広く使用されている高周波トランスである。その基本的な動作原理には、交互に導通する 2 つのスイッチング デバイス (MOSFET や BJT など) を利用して、変圧器の一次巻線を介して入力電圧を高周波 AC 電圧に変換することが含まれます。次に、二次巻線が電圧を整流およびフィルタリングして、必要な DC 電圧を出力します。

基本的な回路構成:

• 一次巻線: 2 つの交互に導通するスイッチング デバイスに接続されます。

• 二次巻線: 高周波 AC 電圧を出力し、整流およびフィルタリングされて DC 電圧が得られます。

• センタータップ：一次巻線のセンタータップは通常、入力電源のプラス端子に接続されます。

動作原理:

• スイッチング デバイスがオンになると、一次巻線の半分を通ってアースに電流が流れ、一方向の磁束が発生します。

• 別のスイッチング デバイスがオンになると、一次巻線の残りの半分を通ってアースに電流が流れ、反対方向の磁束が発生します。

• 2 つのスイッチング デバイスが交互にオンになり、トランス コア内の磁束が 2 方向に交互に発生し、2 次巻線に交流電圧が誘導されます。

2. プッシュ-プル変圧器の設計上の特徴

利点:

• 高効率: 2 つのスイッチング デバイスが交互に導通するため、各デバイスの導通時間が比較的短く、導通損失が低くなります。

• 高電力密度: 高電力を処理でき、中電力範囲のアプリケーションに適しています。

・絶縁機能：入力と出力間をトランスにより電気的に絶縁し、安全性を高めています。

短所:

• 磁気バイアスの問題: 2 つのスイッチング デバイスの導通時間が完全に対称でない場合、変圧器コア内の磁束の不均衡が生じ、磁気バイアス現象が発生する可能性があります。

• スイッチング デバイスに対する高い要件: 1 次巻線のセンター タップが入力電源の正極に接続されているため、スイッチング デバイスは比較的高い電圧に耐える必要があります。

3.プッシュ/プル変圧器の応用シナリオ

プッシュプル変圧器は次の分野で広く使用されています。

• スイッチング電源: 入力 DC 電圧を高周波 AC 電圧に変換するために使用され、その後整流およびフィルターされて必要な DC 電圧が出力されます。

• インバーター: モーターまたはその他の AC 負荷を駆動するために、DC 電圧を AC 電圧に変換します。

●通信機器：パワーモジュールに使用され、安定した電力供給を実現します。

• 産業用オートメーション機器: PLC、周波数コンバータなど、効率的な電力変換を実現します。

4.プッシュ/プル変圧器の設計手順

ステップ 1: 入力パラメータと出力パラメータを決定する

• 入力電圧範囲: 入力電圧の最小値と最大値を決定します。

• 出力電圧と電流: 出力電圧と最大出力電流を決定します。

ステップ 2: トランスのパラメータを選択する

• トランスの巻数比: 入力電圧比に基づいて適切な巻数比を選択します。

• トランスコア: コアが飽和しないように、適切なコアの材質とサイズを選択します。

• 一次巻線と二次巻線: 電流と電圧の要件に従って、一次巻線と二次巻線の巻数と線径を設計します。

ステップ 3: 駆動回路を設計する

• 駆動信号: 2 つのスイッチング デバイスが同時にオンにならないように、交互にオンになる 2 つの駆動信号を設計します。

• デッドタイム: 2 つのスイッチングデバイスの同時導通による短絡を防止するために、適切なデッドタイムを設定します。

ステップ 4: 保護回路を設計する

• 過電流保護: 変圧器やスイッチングデバイスが過負荷にならないように過電流保護回路を設計してください。

• 過電圧保護: 過度に高い出力電圧による負荷の損傷を防ぐために、過電圧保護回路を設計してください。

5. 実際の設計事例

以下は、LT3999 に基づくプッシュプル DC/DC コンバータの設計例です。

回路パラメータ:

• 入力電圧範囲: 10V ～ 15V

• 出力電圧: 5V

• 出力電流: 400mA

設計手順:

• 変圧器の選択: 適切な高周波変圧器を選択し、その巻数比とコアパラメータが設計要件を満たしていることを確認します。

• 駆動回路の設計: LT3999 モノリシック DC/DC プッシュプル・ドライバを使用して、交互に伝導する 2 つの駆動信号を設計します。

• 保護回路の設計: システムの安定性と安全性を確保するために、過電流保護回路と過電圧保護回路を追加します。

• テストと最適化: 実際の回路でテストを実施し、回路パラメータを調整して性能を最適化します。

テスト結果:

• 出力電圧: 入力電圧範囲 10V ～ 15V 内では、出力電圧は 5V のままです。

• 消費電力: 負荷電流範囲全体にわたって、消費電力は低く抑えられ、効率は高くなります。

• 温度: デューティ サイクルを制御することにより、LDO 両端の電圧差が減少し、温度上昇が抑制されます。