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Conversores DC-DC aislados basados en el conversor reductor (Buck)

Convertidor Push-Pull

El convertidor Push-Pull es un tipo de convertidor DC-DC aislado galvánicamente. Es decir, que tanto la entrada como la salida son tensiones contínuas y entre ellas no existe ningún tipo de conexión eléctrica debido a la presencia de un transformador.

Principio de funcionamiento

El circuito fundamental de un conversor Push-Pull se muestra en la Fig. 1. En dicha figura se aprecia la presencia de un transformador con punto medio en ambos bobinados, primario y secundario, con una inductancia magnetizante Lμ entre un par de terminales del bobinado primario. La inductancia magnetizante representa el efecto inductivo del transformador, permitiendo considerar la capacidad del mismo de almacenar energía en forma de campo magnético ,de la misma forma que lo hace un inductor. De esta manera el transformador graficado se puede tratar como un transformador ideal.

La secuencia consiste en el encendido del transistor 1, durante un cierto tiempo δT, seguido de un apagado hasta que se completa 1/2 T. Luego se enciende el transistor 2, durante un tiempo idéntico al del transistor 1, tras lo cual se apaga hasta completar el periodo y repetir la secuencia.

Antes de comenzar con un análisis más detallado se realizan algunas consideraciones sobre el circuito:

Componentes ideales, es decir, no introducen pérdidas, por lo que las potencias de entrada y salida serán exactamente iguales.

Se asume que la tensión en la salida es constante e igual al valor Vo, ya que esta es una condición para el correcto funcionamiento del convertidor.

Durante el encendido del transistor 1, el transistor 2 permanece apagado, lo que aplica la tensión de entrada en el bobinado Np1 y en la inductancia magnetizante. Esto induce una tensión en el resto de los bobinados del transformador ideal, de acuerdo a las relaciones entre la cantidad de espiras. En tanto, la inductancia magnetizante comienza a cargarse, es decir, almacenar energía en forma de campo magnético, por lo que la corriente que la atraviesa aumenta. Dicho aumento es lineal debido a que la tensión aplicada es constante.

Los voltajes que se inducen en los bobinados secundarios polarizan en inversa el diodo D2 y polarizan en directa el diodo D1. De esta manera, el voltaje inducido en el bobinado Ns1 (Vi/a, debido a la relación de espiras) se aplica al resto del circuito (inductor L, capacitor C y carga Ro).

El voltaje aplicado entre el punto A y la referencia de la salida permite alimentar el paralelo RC de salida, a la vez que se carga la inductancia L. En régimen permanente, la corriente a través de dicha inductancia tiene un valor medio constante, debido a que la tensión en la carga debe ser también constante. A su vez, esta corriente tampoco debe hacerse nula en ningún momento para operar en el modo de conducción contínua, como se mencionó anteriomente.

Durante el apagado del transistor 1, el transistor 2 continúa apagado, y la inductancia magnetizante solo puede conducir su corriente a través del bobinado Np1. Debido a que, en esta etapa, la inductancia magnetizante se está descargando, es decir, entrega energía, la tensión entre sus extremos cambia su signo. Esto induce voltajes, también de signo opuesto al anterior, en el resto de los bobinados.

Si bien los voltajes tenderían a cambiar la polarización de los diodos, la corriente que circula a través de la inductancia L fuerza a la conducción de ambos diodos. Por ello, los bornes extremos de los bobinados secundarios se encuentran cortocircuitados entre sí, a través del nodo A. Esto produce que la energía almacenada en la inductancia magnetizante, que se disipa en forma de calor, durante esta etapa sea, idealmente, nula. Aún en la práctica, dicha cantidad de energía es despreciable.

La conducción de los diodos durante el apagado de los transistores se debe a que la corriente que provee la inductancia L es bastante mayor que la que atraviesa la inductancia magnetizante reflejada al bobinado secundario. La tensión en la inductancia L cambia su signo durante esta etapa debido a que es la energía almacenada en este componente la que alimenta el paralelo RC de salida.

Durante el encendido del transistor 2, el transistor 1 permanece apagado, lo que aplica la tensión de entrada en el bobinado Np2. Esto induce una tensión en el resto de los bobinados del transformador ideal, de acuerdo a las relaciones entre la cantidad de espiras. Es por ello que la misma tensión de entrada, con signo opuesto, se induce en el bobinado Np1 y se aplica a la inductancia magnetizante, cargándola nuevamente, de manera idéntica que durante la primera mitad del periodo. Si bien la inductancia magnetizante ya almacenaba cierto nivel de energía de signo opuesto, esta se devuelve a la fuente de entrada antes de que la inductancia comience a absorber energía nuevamente.

Los voltajes que se inducen en los bobinados secundarios polarizan en inversa el diodo D1 y en directa el diodo D2. De esta manera, el voltaje inducido en el bobinado Ns2 (Vi/a, debido a la relación de espiras) se aplica al resto del circuito (inductor L, capacitor C y carga Ro). Puede observarse que el voltaje aplicado entre el punto A y la referencia de la salida es idéntico al obtenido durante el ciclo activo del transistor 1, en la primera mitad del periodo.

Durante el apagado del transistor 1, el transistor 2 continúa apagado, y la inductancia magnetizante solo puede conducir su corriente a través del bobinado Np1. Debido a que, en esta etapa, la inductancia magnetizante se está descargando, es decir, entrega energía, la tensión entre sus extremos cambia su signo. Esto induce voltajes, también de signo opuesto al anterior, en el resto de los bobinados.

Nuevamente, la corriente que circula a través de la inductancia L fuerza a la conducción de ambos diodos, cortocircuitando los bobinados secundarios a través del nodo A, a la vez que la tensión entre sus extremos cambia de polaridad para entregar energía al paralelo RC de salida.