P111主电路设计2

电气工程系Guitao.C2015.春季学期电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11本次课内容概要2.热设计及结构设计1.主电路设计3.机箱结构设计电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11主电路设计主电路的设计通常在整个电源的设计过程中具有最为重要的地位，一旦完成设计，不宜轻易改变，因此设计时对各方面问题应考虑周全，避免返工，造成时间和经费的浪费。主电路拓扑的选择根据电源功率的不同要求，宜采用不同的电路形式。小功率电源（1~100W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路；电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，应采用正激型电路；65W笔记本适配器（反激）对于功率大于500W，则半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥型电路；如果功率很大，则应采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。次级全桥整流(输出100V场合)次级全波整流(输出5~100V场合)次级倍流整流(输出5~100V场合)电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11硬开关与软开关电路的选择在设计中，通常需要综合考虑可靠性、成本、效率等多方面因素来确定是否采用软开关技术。ttiup硬开关关断过程硬开关uttip软开关关断过程软开关电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11主电路设计实例技术要求：输入电压：交流三相380±10%V，50Hz。输出电压：调节范围160~280V。输出电流：最大20A。输出纹波：电压纹波系数≤0.5%。工作温度：0~40℃。电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part1181.主电路的选型•最大输出功率为20A×280V=5600W，属于功率较大的开关电源，因此可取全桥型电路；•输出电压最高为280V，考虑到二极管的耐压，变压器二次侧应采用全桥型整流电路。2.采用硬开关电路。主电路设计电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11主电路DC-DC选择方案主电路原理图示意图电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11变压器前级电路示意图电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11二.参数设计及选型（部分计算示例）（1）整流桥假设设电源效率为92%，暂不考虑功率因数max/1.35(110%)odinPIU5600W/92%13.2A1.35*(110%)*380Vmax/3(110%)opRMSinPIU5600W10.28A3(110%)*380V*92%交流输入电流：电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11（2）输入电容的计算min5600/0.9245345ininPWJAf在额定输出情况下，要使输出满足要求，则每个周期中输入滤波电容Cin应提供的能量A=3(三相)f:输入交流电压的频率范围为45～65Hz。电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11ppV整流后的直流母线电压的最大脉动值取为10%()2*10%ppinminUU2*380(110%)*10%48V因此，每个半周期内，输入滤波电容需提供的能量为：22minmin12222ininppininWCUUU电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part1122minmin22ininppininWCUUU输入滤波电容：2245102148248248inCuF因此，可选择1000uF/400V两串两并②铁心的选取AP法（3）变压器的设计③绕组匝数④绕组导体截面积（线径）①计算变压器变比①计算电压变比kT：1minmax2maxkiToNUDNUU取输入电压下限时的整流电压，取462V。miniUmaxDmaxoU1.474TkU将以上数据代入上式，可得最大占空比，全桥为二次侧的，此处选为0.9选为最高输出电压，取280V，整流二极管压降和电路中线路压降等。选2V。22.341.35UU线在最大D和最低Ui的条件下，输出电压能达到要求的上限1.474Tk②铁心的选取：7441j02TPewScPAAAfBkm首先按下式计算铁心截面积Ae-窗口面积Aw的积AP法•PT=11200W一次二次侧总功率，•fs=20kHz开关频率•j=4*106A/m2绕组导体的电流密度•kc=0.5绕组在窗口的填充系数•△B=0.35T•无抽头，效率为1时,PT=2Po(59.1mm-19.8mm)/2•Aw=11.1*10-4mm2Ap=43.5mm2•Ae=3.92*10-4m228.2mm满足设计要求③绕组匝数：可得N1=51匝*1.474=75匝一次绕组匝数可由二次绕组匝数和匝比（KT=1.474）推算得到：2TVeeudtSNBABA6200max2max[]280*25*102TsTonOoSVTSUdtUdtU全桥VTSudt绕组承受的最大伏-秒面积（即正或负半周面积）选定铁心后，计算绕组匝数-264280*25*100.35*3.92*1=051N匝根据下式可得二次绕组的导体截面积为根据电压比算出一次绕组导体的截面积为120Aj4cIA225cAmm213.4cAmm④计算绕组导体截面：litzwire李兹线利兹线漆包线2/20A/1.474j4TcIKA（3）输出滤波电感的设计①计算电感值⑤绕线导体截面积③计算绕组匝数④计算气隙，②选定电感铁心max3590=0.63ˆ81.474201048iTsULmHkfI输入电压最大值取590VmaxiUSfIˆ0.63LmH开关频率为20kHz取最大输出电流20A的20%，即4A允许的电感电流最大纹波峰-峰值①计算电感值L=0.63mHim=22A，电感最大峰值电流20A+20*20%，②选定电感铁心360.631022200.30.5510jmPewmcLiIAAABk743710mBm最大磁通密度取0.3TI=20A，电感最大输出电流20A，J填充系数取0.5kc电流密度取5A/mm2Ap=43.5mm2E80/38/20-3C94选择E80/38/20-3C943m4m0.6310221180.33.9210LeLiNBA118LN匝③计算绕组匝数④计算气隙长度27423034103.921011811100.6310eLANlmLμ0为真空磁导率70410mHl=0.55mm⑤绕线导体截面积220A/54cLAmm电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11输出滤波电容的目的是为了满足输出纹波电压的要求，。设计要求输出纹波系数小于0.5%VVU8.0%5.0160输出电压纹波有效值取为输出电压下限值的0.5%，(4)滤波电容的确定当输入电压最高Uimax590V，输出电压最低时Uomin160V，输出滤波电容C需要的最大值电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11ULf电感直流压降取0.5VUDR二极管直流压降取2Vminmin2max(1)8(2)ooiLfDRTUUCULfsUUUkC=15uF/600V薄膜电容332160160(1)59080.6310(22010)0.80.521.474电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11（5）开关器件及二极管的设计变压器二次侧整流二极管的设计二极管承受的反向电压最大值为整流电压最大值除以变压器的电压比，取400V，考虑到二极管关断时会有过电压，并考虑到输出电压的浪涌等因素，因此选取二极管的耐压不低于600V。流过二极管的峰值电流为最大平均电流为选择IXYS快恢复二极管DSEI30-06Amaxmax1ˆˆ22A2DoIIImaxmax111A2DoII电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11（6）开关器件的设计开关器件选取IGBT，其耐压为输入电压整流后的峰值=591V，考虑到关断时的过电压以及输入电压的浪涌，开关器件的耐压取800V以上。流过IGBT的峰值电流为最大平均电流为maxmax1ˆ()22/1.415.7A2SoTIIIkAmaxmaxmax16.42SoTIDIkA选择英飞凌单管IGBTIKW25T120电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11本次课内容概要2.热设计及结构设计1.主电路设计3.机箱结构设计电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11热设计和结构设计开关元件的热设计（占发热的50%~80%）管芯管壳散热器环境thJCRthhARJTATthPCT温差、热阻和发热功率间的关系为()JAthJCthChthhAthTTRRRPhTthChR管芯—管壳管壳—散热器散热器—环境电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part1134•环境温度TA的范围在设计任务书中通常都有规定，工业用电源一般为40-55℃。热设计的目的是在和基本确定的条件下，选择合适的热阻和，使工作时管芯的温度低于最大允许的结温。thP)(maxmaxAJTTCthJRthhARthChR•通常开关器件管芯极限温度TJmax为125℃~150℃，电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11351.结—壳热阻的选择原则CthJR电流容量较大的器件通常具有较小的热阻，而且通态压降也低，使得发热功率降低，有利于降低温升，但容量较大的器件成本较高。采用器件并联或电路多重化技术，可成倍降低热阻。但同时成本也将成倍提高，且须考虑器件均流问题。电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part112.壳—散热器热阻thChR电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11373.散热器-环境热阻的设计原则thhAR采用散热面积较大的散热器，可得到较低的热阻，但增加了体积和重量，提高了成本。采用强制风冷，并提高空气流速可达到更好的散热效果，但成本会增加，而且在某种程度上降低了系统的可靠性，并令噪声明显增大。合理的散热结构设计有可能达到事半功倍的效果。热设计应在满足结温不超标的条件下，将性能与成本结合考虑，达到综合最优。电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11电气工程系Guitao.CSwitchingPowerSupplies/Part11变压器和电抗器的热设计变压器和电抗器在工作中会产生损耗，并以热的形式向环境发散，铁心和绕组的温度都会升高。因此必须进行合理的热设计，在保证可靠性、经济性的前提下，使变压器和电抗器在合理的温度下正常工作。由于铁心材料特性、绕组绝缘材料特性等的限制，变