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。

3電路仿真

3.1 LTspice仿真軟件介紹

LTspice是__款免費(fèi)的電子電路仿真軟件,由ADI公司開發(fā)。它是__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__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__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。