Eine einfache Anleitung zum Verständnis und zur Auswahl von Coilcraft-Gegentakt-Transformatoren

Was ist ein Gegentakt-Transformator (Push-Pull-Transformator)?

Gegentakt-Transformatoren (Push-Pull-Transformatoren) sind Durchflusswandler-Übertrager mit primär- und sekundärseitigen Mittelanzapfungen. Sie werden in ungeregelten (Open-Loop) Schaltungen mit festem Tastverhältnis (2 Schalter) sowie in geregelten (Closed-Loop) Gegentaktwandlern mit weitem Eingangsspannungsbereich eingesetzt. Sie bieten galvanische Trennung sowie Spannungswandlung (Hoch- oder Herabsetzung). Ihr Einsatzbereich erstreckt sich über einen weiten Leistungsbereich von 0,25 Watt bis zu mehreren hundert Watt. Dieser Artikel behandelt die Vorteile, die Funktionsweise, die Anwendungen und die Auswahl von Gegentakt-Transformatoren.

Vorteile

Ein wesentlicher Vorteil von Gegentaktwandlern besteht darin, dass die Last durch den Zwei-Schalter-Betrieb auf zwei Leistungsschalter aufgeteilt wird. Jeder Schalter verarbeitet somit nur jeden zweiten Leistungsimpuls. Dadurch arbeitet der Übertrager effektiv mit der halben Schaltfrequenz.

Wie bei der einteligen Durchflusstopologie (Single-Ended Forward) beträgt die Spannungsbelastung der FETs in der Gegentakttopologie das Zweifache der Eingangsspannung. Eine typische Faustregel besagt, die Welligkeit des Primärstroms auf 10 bis 30 % des durchschnittlichen Primärstroms zu begrenzen, um die Belastung der Schalter zu minimieren und die elektromagnetischen Störungen (EMI) in Grenzen zu halten.

Zudem weisen Gegentakt-Transformatoren bauartbedingt geringere EMI-Werte als Sperrwandler-Transformatoren (Flyback) auf. Sie sind auf eine geringere Wicklungskapazität ausgelegt, während Sperrwandler auf eine niedrige Streuinduktivität optimiert sind und daher eine höhere Eigenkapazität besitzen. Geringere EMI bedeutet auch, dass kleinere Bauteile verwendet werden können, wenn ein LC-Filter zur Reduzierung der Ausgangswelligkeit eingesetzt wird.

Funktionsweise und Signalverläufe

Gegentakt-Transformatoren im Open-Loop-Betrieb steuern die primäre Mittelanzapfung mit einem Tastverhältnis von 50 % und einer Zwei-Quadranten-Ansteuerung (bipolar) der B-H-Hysteresekurve an. Die B- und H-Ausschläge kehren in jeder alternierenden Halbwelle ihre Polarität um und kreuzen den Nullpunkt (Abbildung 1).

Zwei-Quadranten-Betrieb bedeutet, dass der im Übertragerkern aufgebaute Fluss der einen Phase idealerweise durch den der anderen Phase aufgehoben wird, was einen permanenten Flussaufbau verhindert. Asymmetrien in den Wicklungen können zu einer unvollständigen Kompensation führen. In solchen Fällen kann eine Current-Mode-Regelung eingesetzt werden, um den Kern zurückzusetzen.

Der vergleichsweise geringe Rippelstrom und der Zwei-Quadranten-Betrieb von Gegentaktschaltungen (im Vergleich zu z. B. Sperrwandlern) führen zu einem hohen Wirkungsgrad und ermöglichen oft den Einsatz kleinerer Transformatoren. Die Auslöschung des Gleichtaktflusses sorgt zudem für eine geringere EMI und eine bessere Störfestigkeit gegenüber Transienten. Abbildung 2 zeigt die typischen Strompfade und Signalverläufe einer Gegentakttopologie.

Die wesentlichen Designkriterien eines Gegentakt-Transformators sind das Übersetzungsverhältnis und die Belastbarkeit. Das Übersetzungsverhältnis bestimmt direkt die Ausgangsspannung: V_out = V_in × D × 2 × N_s/N_p (Gl. 1)

Wie bei Durchflusstopologien hilft eine höhere Magnetisierungsinduktivität, den Wirkungsgrad zu verbessern; die Induktivität ist jedoch kein primäres Designkriterium, und eine enge Toleranz ist nicht erforderlich. Abbildung 3 zeigt einen Gegentakt-Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:4 in einer isolierten Gegentakt-Stromversorgungsschaltung zur Wandlung von 5 V in isolierte +/- 15V.

Anwendungsbereiche

Die Gegentakttopologie ist eine ausgezeichnete Wahl für:

• Extrem rauscharme, isolierte DC/DC-Wandler
• Automobilanwendungen (für kleinere, leichtere Bauteile) und geringe EMI
• Stromversorgungen mit invertierendem und nicht-invertierendem Ausgang
• Industrieanwendungen im niedrigen bis hohen Leistungsbereich
• Rauscharme Datenkommunikation
• Mehrfachausgänge / Dezentrale Stromversorgung
• Hochfrequente Stromversorgungen unter Verwendung kompakter Transformatoren

Auswahl von Coilcraft Gegentakt-Transformatoren

Die Auswahl des passenden Standard-Gegentakt-Transformators von Coilcraft beginnt mit der Bestimmung der Ausgangsleistung und des benötigten Übersetzungsverhältnisses. Konsultieren Sie das Datenblatt Ihres gewählten Driver-ICs, um das geeignete Übersetzungsverhältnis zu ermitteln. Eine Annäherung an die erforderliche Ausgangsleistung des Transformators ergibt sich aus V_out × I_out, zuzüglich einiger Prozentreserve für Verluste.

Einfache Auswahl

Coilcraft bietet hierfür das Online-Suchwerkzeug Power Converter Transformer Parametric Search an.

So lassen sich alle Gegentakt-Transformatoren anzeigen:

1. Wählen Sie Power Converter Transformers aus.
2. Wählen Sie im Menü zur Ergebnisseinschränkung den Filter Topology.
3. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Push-pull.
4. Klicken Sie auf Apply.

Über die weiteren Filter lässt sich die Suche präzisieren:

1. Nutzen Sie den Filter Output Power und geben Sie einen Bereich ein oder wählen Sie einen Wert aus.
2. Wählen Sie das passende Übersetzungsverhältnis sowie weitere wichtige Parameter (z. B. V_in, V_out, Isolationsspannung, Baugröße).

Die Ergebnisse können nach jedem Parameter sortiert werden. Suchen Sie beispielsweise einen Gegentakt-Transformator für den Baustein Texas Instruments SN6507, wählen Sie den Filter Designed for und selektieren Sie Texas Instruments. Die Serie TX1 von Coilcraft enthält mehrere Optionen für Übersetzungsverhältnisse und Ausgangsleistungen.

Die Gegentakttopologie bietet nachgewiesene Vorteile in vielen Leistungs- und Kommunikationsanwendungen, einschließlich der Automobilindustrie und der Gebäudeautomation. Das parametrische Suchwerkzeug MagPro™ von Coilcraft erleichtert die Auswahl des optimalen Gegentakt-Transformators.

Referenzen

Push-pull converter simplifies isolated power supply design in HEV/EV systems, Texas Instruments, Analog Design Journal 1Q 2020, Anant Kamath, slyt790a, http://www.ti.com/lit/an/slyt790a/slyt790a.pdf

LM5030 Application: DC-DC Converter Utilizing the Push-Pull Topology, Literature Number: SNVA553, Texas Instruments (employs Coilcraft A9784-B) http://www.ti.com/lit/pdf/snva553

How to Design an Isolated, High Frequency, Push-Pull DC/DC Converter by Dawson Huang, Analog Devices, https://www.analog.com/en/technical-articles/high-frequency-push-pull-dc-dc-converter.html

LT3999 datasheet for low noise, 1A, 1 MHz, push-pull DC-DC driver https://www.analog.com/en/products/lt3999.html#

Fundamentals of Power Supply Design, Robert A. Mammano, 2017