基于LTC3721-1的升压型推挽变换器设计

引言

直流电源广泛应用于诸如民用电子产品、工业电子产品、汽车产品、轨道交通以及航空航天等各行各业。为适配各种负载的额定电压,往往需要使用开关型直流电源对输入电压进行调整、稳压[1]。推挽变换器是一类结构简单、应用广泛、可实现输入/输出电气隔离的拓扑结构[2],适用于各类直流电源产品以及逆变电源的DC/DC前级[3—4]。在实践中,传统的基于电压控制型原理的推挽变换器,由于实际电路参数的不完全对称,可能出现偏磁问题,导致变压器出现磁饱和、开关管电流应力分配不均乃至击穿,造成电源系统损坏[5]。采用电流控制型PWM控制器直接利用电路中的电流信息,发出PWM信号,可以有效规避偏磁问题,提高电源系统的可靠性[6]。

本文基于LTC3721—1型电流控制型PWM控制器,使用推挽变换器拓扑结构,设计了一款可将77~137.5 V范围内的输入直流电压升压至300 V的升压型直流电源,并具备1 A的电流输出能力。本文对该电源的关键元件参数进行了计算和设计,使用LTspice软件进行仿真,并搭建了试验样机,验证了本文设计电路的有效性。

1推挽变换器的工作原理

推挽变换器主要由输入滤波器、功率开关、高频变压器、整流和滤波电路等部分组成,其电路结构如图1所示。输入滤波器通常情况下由大容量电解电容组成,可以减少电源输入阻抗的影响,在功率开关导通的瞬间提供足量的电流,避免输入母线电压跌落;功率开关通常由功率MOSFET组成,用于电路的导通和关断;高频变压器用于电压的变换、能量的传输和原副边之间的电气隔离,图1中的变压器由两个相同的初级线圈、一个次级线圈组成,同名端已在图中标出;整流电路由4只整流二极管组成全桥结构,将变压器副边得到的高频交流转化为脉动直流;滤波电路是由功率滤波电感和电解电容组成的LC滤波电路,用于滤除高频交流分量,获得纯净的直流电源。

推挽变换器工作时,两只功率开关依次导通,将能量由变压器原边输送至变压器副边,经整流滤波电路后获得纯净稳定的直流,电路中各个关键位置的电压电流波形如图2所示。

2电路设计

2.1电路设计目标

本文设计的推挽变换器电路参数如表1所示。

2.2 LTC3721—1控制器芯片

LTC3721—1是由ADI公司设计研发,可适用于推挽变换器的PWM控制器。此控制器具备最高值1 MHz的可编程开关频率配置,集成斜坡补偿、软启动和逐周期电流限制保护等功能。另外,LTC3721—1为电流控制型PWM控制器,可以有效解决推挽变换器工作时的偏磁问题。使用LTC3721—1构成的推挽变换器电路结构如图3所示。

3电路仿真

3.1 LTspice仿真软件介绍

LTspice是__款免费的电子电路仿真软件,由ADI公司开发。它是__种功能强大且易于使用的工具,用于设计和验证各种电子电路,包括模拟电路、数字电路和混合信号电路。LTspice提供了丰富的元件库,可以模拟各种电子元件和器件的行为,还支持自定义元件和模型的添加。通过LTspice,用户可以进行电路的分析、优化和验证,包括直流分析、交流分析、脉冲响应分析等。此外,LTspice还提供了波形显示、参数扫描、傅里叶分析等功能,方便用户对电路进行更深入的研究和分析。

3.2电路仿真结果

使用LTspice软件搭建如图4所示的电路仿真模型,在最严酷工况下,即输入电压最低77 V,输出满载1 A的工况下进行仿真,得到的结果如图5所示。由仿真结果可知,本文设计的推挽变换器可以实现额定输出目标。

4实验验证

根据上文的电路设计,搭建了__款推挽变换器样机,并在额定输入电压110 V、输出电流1 A的工况下进行测试。使用示波器捕捉获得的测试信号波形如图6所示。测试结果显示,输出PWM信号频率为150 KHz,最终输出稳定直流电压294 V,误差2%,满足设计要求。

5结束语

本文设计了__款基于LTC3721—1 PWM控制器的推挽变换器,实现了将77~137.5 V范围内的直流电压变换为300 V的直流电压的DC/DC变换。

本文对该变换器的工作原理和参数设计进行了详细的表述,并通过LTspice软件进行了仿真。

最后,通过样机的实际测试测量,验证了本文设计电路的有效性。