基于LTC3721-1的升壓型推挽變換器設(shè)計(jì)

摘 要：現(xiàn)代電力電子技術(shù)推動(dòng)了電源技術(shù)尤其是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，而日益精密的電子設(shè)備則對(duì)其供電電源提出了更高的要求。現(xiàn)介紹一種基于LTC3721-1的升壓型推挽變換器，其可將77～137.5 V范圍內(nèi)的直流電源升壓至300 V直流，并具備1 A的電流輸出能力。LTC3721-1為電流控制型PWM控制器，因此克服了推挽變換器常見(jiàn)的偏磁問(wèn)題，使其工作可靠性大為增加?，F(xiàn)對(duì)該電路的電路拓?fù)?、工作過(guò)程以及相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算、元件選擇進(jìn)行了詳細(xì)的描述與分析，使用LTspice軟件進(jìn)行電路仿真，并在實(shí)際電路中進(jìn)行了測(cè)試。仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電路滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需要，具備良好的性能和可靠性。

關(guān)鍵詞：LTC3721-1；升壓電路；推挽變換器；LTspice仿真

中圖分類號(hào)：TM52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）10-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.005

0? ? 引言

直流電源廣泛應(yīng)用于諸如民用電子產(chǎn)品、工業(yè)電子產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品、軌道交通以及航空航天等各行各業(yè)。為適配各種負(fù)載的額定電壓，往往需要使用開(kāi)關(guān)型直流電源對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整、穩(wěn)壓[1]。推挽變換器是一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、可實(shí)現(xiàn)輸入/輸出電氣隔離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，適用于各類直流電源產(chǎn)品以及逆變電源的DC/DC前級(jí)[3-4]。在實(shí)踐中，傳統(tǒng)的基于電壓控制型原理的推挽變換器，由于實(shí)際電路參數(shù)的不完全對(duì)稱，可能出現(xiàn)偏磁問(wèn)題，導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)磁飽和、開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力分配不均乃至擊穿，造成電源系統(tǒng)損壞[5]。采用電流控制型PWM控制器直接利用電路中的電流信息，發(fā)出PWM信號(hào)，可以有效規(guī)避偏磁問(wèn)題，提高電源系統(tǒng)的可靠性[6]。

本文基于LTC3721-1型電流控制型PWM控制器，使用推挽變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款可將77～137.5 V范圍內(nèi)的輸入直流電壓升壓至300 V的升壓型直流電源，并具備1 A的電流輸出能力。本文對(duì)該電源的關(guān)鍵元件參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)，使用LTspice軟件進(jìn)行仿真，并搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)電路的有效性。

1? ? 推挽變換器的工作原理

推挽變換器主要由輸入濾波器、功率開(kāi)關(guān)、高頻變壓器、整流和濾波電路等部分組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入濾波器通常情況下由大容量電解電容組成，可以減少電源輸入阻抗的影響，在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的瞬間提供足量的電流，避免輸入母線電壓跌落；功率開(kāi)關(guān)通常由功率MOSFET組成，用于電路的導(dǎo)通和關(guān)斷；高頻變壓器用于電壓的變換、能量的傳輸和原副邊之間的電氣隔離，圖1中的變壓器由兩個(gè)相同的初級(jí)線圈、一個(gè)次級(jí)線圈組成，同名端已在圖中標(biāo)出；整流電路由4只整流二極管組成全橋結(jié)構(gòu)，將變壓器副邊得到的高頻交流轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直流；濾波電路是由功率濾波電感和電解電容組成的LC濾波電路，用于濾除高頻交流分量，獲得純凈的直流電源。

推挽變換器工作時(shí)，兩只功率開(kāi)關(guān)依次導(dǎo)通，將能量由變壓器原邊輸送至變壓器副邊，經(jīng)整流濾波電路后獲得純凈穩(wěn)定的直流，電路中各個(gè)關(guān)鍵位置的電壓電流波形如圖2所示。

2? ? 電路設(shè)計(jì)

2.1? ? 電路設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的推挽變換器電路參數(shù)如表1所示。

2.2? ? LTC3721-1控制器芯片

LTC3721-1是由ADI公司設(shè)計(jì)研發(fā)，可適用于推挽變換器的PWM控制器。此控制器具備最高值1 MHz的可編程開(kāi)關(guān)頻率配置，集成斜坡補(bǔ)償、軟啟動(dòng)和逐周期電流限制保護(hù)等功能。另外，LTC3721-1為電流控制型PWM控制器，可以有效解決推挽變換器工作時(shí)的偏磁問(wèn)題。使用LTC3721-1構(gòu)成的推挽變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，使用電阻RF1和RF2對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程，以確保當(dāng)輸出電壓Vout為額定輸出電壓時(shí)，輸入至電壓基準(zhǔn)TL431的參考端電壓為2.495 V，可以使用以下公式選擇RF1和RF2的值。

Vout=2.495

1+ （1）

本文中RF1選擇560 kΩ，RF2選擇4.7 kΩ。

在CT引腳與地之間連接一個(gè)電容CT用于編程芯片的開(kāi)關(guān)頻率，其計(jì)算公式如下：

CT=1/（2×14 800Fsw） （2）

本文中CT選取220 pF，計(jì)算得到開(kāi)關(guān)頻率Fsw約為153 kHz。

在兩只功率開(kāi)關(guān)的源極和地之間串入電流檢測(cè)電阻Rsen，獲得的電壓接入CS引腳，用于控制器芯片的調(diào)制波以及逐周期電流限制。當(dāng)CS引腳的電壓高于300 mV時(shí)，將觸發(fā)芯片的電流保護(hù)。本文中，檢流電阻Rsen選擇阻值為20 mΩ的電阻，即當(dāng)主電路中的電流超過(guò)10 A時(shí)，觸發(fā)保護(hù)。

2.3? ? 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)變壓器匝數(shù)比Nps。設(shè)整流二極管最高壓降Vf=2.6 V，即有：

Nsp≥=3.9 （3）

式中：Vin，min為最低輸入電壓；Nsp為變壓器副邊與原邊匝數(shù)比，實(shí)際中，取Nsp=5，即Nps=0.2。

2）計(jì)算最小、最大占空比dmin、dmax。推挽變換器兩只開(kāi)關(guān)管依次導(dǎo)通，占空比最大不超過(guò)0.5，依次代入最小、最大輸入電壓值Vin，min、Vin，max計(jì)算可得：

dmin==0.22? ? ? ? ? ? ? （4）

dmax==0.39? ? ? ? ? ?（5）

3）計(jì)算開(kāi)關(guān)管與二極管最高耐壓VQ，max、VD，max。開(kāi)關(guān)管最高耐壓為電源電壓最大值的兩倍，即有：

VQ，max=2Vin，max=2×137.5=275 V? ? ? ? ? ? ? ?（6）

由于變壓器次級(jí)為單線圈全橋整流結(jié)構(gòu)，整流二極管耐壓即為輸入最高電壓與變壓器變比的乘積：

VD，max=Vin，maxNsp=137.5×5=687.5 V? ? ? ? （7）

4）計(jì)算輸出濾波電感L，電感紋波電流由下式確定：

Iripple=

-2Vf-Vout·t1? ? ? ? ? ?（8）

式中：t1為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，有：

t1==? ? ? ? ? ? ?（9）

式中：d為占空比。

代入整理得：

Iripple=1-

（10）

由上式可知，在輸入電壓最高時(shí)，占空比最低，此時(shí)輸出濾波電感電流紋波最大，要求此時(shí)輸出電感足夠大，使得輸出電流不斷續(xù)。定義紋波系數(shù)χ為電感電流最大值與最小值之差的一半與輸出平均電流Iout的比值，即當(dāng)紋波系數(shù)為1時(shí)，電感電流剛好處于斷續(xù)與非斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。指定紋波系數(shù)χ=0.35，此時(shí)有：

Iripple，max=2χIout=0.7 A? ? ? ? ? ? ?（11）

此時(shí)的電感取值為：

L≥1-

=806 μH （12）

實(shí)際選取L=820 μH，代入數(shù)值校驗(yàn)，計(jì)算得此時(shí)電流紋波的最大值：

Iripple，max=1-

=0.69 A? （13）

5）計(jì)算勵(lì)磁電流Imag。勵(lì)磁電流為輸入電壓在初級(jí)線圈電感上產(chǎn)生的電流，初級(jí)線圈電感量選取為L(zhǎng)p=50 μH，由此可得次級(jí)線圈電感：

Ls==1 250 μH? ? ? ? ? ? （14）

勵(lì)磁電流波形為關(guān)于時(shí)間軸中心對(duì)稱的波形，與輸入電壓大小無(wú)關(guān)，最大勵(lì)磁電流表達(dá)式為：

Imag===4 A? ? ? ? （15）

6）計(jì)算副邊電流瞬時(shí)值最大值Isec，max。在輸入電壓最大時(shí)，副邊電流紋波最大，由此計(jì)算副邊電流最大值：

Isec，max，dc max=Iout+Iripple，max=1.345 A? ? ? ? ?（16）

7）計(jì)算原邊電流瞬時(shí)值最大值Ipri，max。在輸入電壓最大時(shí)，原邊電流紋波最大，由此計(jì)算原邊電流最大值：

Ipri，max，dc max=+Imag=8.725 A? ? ?（17）

8）計(jì)算輸出濾波電容Cout。輸出電壓紋波比設(shè)定為0.5%，即Vripple%=0.5%，輸出濾波電容的ESR需要滿足以下條件：

ESR≤=0.56 Ω? ? ? ? ?（18）

輸出濾波電容的容值Cout需要滿足以下條件：

Cout≥=6 μF? ? ? ? ? （19）

實(shí)際中Cout選擇10 μF電解電容。

3? ? 電路仿真

3.1? ? LTspice仿真軟件介紹

LTspice是一款免費(fèi)的電子電路仿真軟件，由ADI公司開(kāi)發(fā)。它是一種功能強(qiáng)大且易于使用的工具，用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證各種電子電路，包括模擬電路、數(shù)字電路和混合信號(hào)電路。LTspice提供了豐富的元件庫(kù)，可以模擬各種電子元件和器件的行為，還支持自定義元件和模型的添加。通過(guò)LTspice，用戶可以進(jìn)行電路的分析、優(yōu)化和驗(yàn)證，包括直流分析、交流分析、脈沖響應(yīng)分析等。此外，LTspice還提供了波形顯示、參數(shù)掃描、傅里葉分析等功能，方便用戶對(duì)電路進(jìn)行更深入的研究和分析。

3.2? ? 電路仿真結(jié)果

使用LTspice軟件搭建如圖4所示的電路仿真模型，在最嚴(yán)酷工況下，即輸入電壓最低77 V，輸出滿載1 A的工況下進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的推挽變換器可以實(shí)現(xiàn)額定輸出目標(biāo)。

4? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上文的電路設(shè)計(jì)，搭建了一款推挽變換器樣機(jī)，并在額定輸入電壓110 V、輸出電流1 A的工況下進(jìn)行測(cè)試。使用示波器捕捉獲得的測(cè)試信號(hào)波形如圖6所示。測(cè)試結(jié)果顯示，輸出PWM信號(hào)頻率為150 kHz，最終輸出穩(wěn)定直流電壓294 V，誤差2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于LTC3721-1 PWM控制器的推挽變換器，實(shí)現(xiàn)了將77～137.5 V范圍內(nèi)的直流電壓變換為300 V的直流電壓的DC/DC變換。

本文對(duì)該變換器的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的表述，并通過(guò)LTspice軟件進(jìn)行了仿真。

最后，通過(guò)樣機(jī)的實(shí)際測(cè)試測(cè)量，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)電路的有效性。

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收稿日期：2024-01-29

作者簡(jiǎn)介：王盼瑞（1994—），男，山東青島人，碩士，助教，研究方向：電力電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)。