数字交流电源设计

设计目标：市电输入、开关频率32KHz、0~220V 50~100Hz 1200W输出。

1.确定输入电压

经查阅，我国市电电压标准，220V单相供电时，为额定值的+7%，-10%。因此，输入电压范围198VAC-235.4VAC。

2.确定输入电流

式中，Po为开关电源的输出功率，η为电源效率，umin为交流输入电压的最小值，cosφ为开关电源的功率因数。

Po：开关电源设计功率1200W

Umin：市电最低输入198V

η：正常开关电源效率高于80%，这里直接取最低值0.8

cosφ：单相不校正估算0.6  三相不校正估算0.85  校正估算0.95

经过计算得，Irms = 12.6 ≈ 13A。

3.保险管

额定电压：大于输入电压即可。输入电压220V，可选规格250V，300V，350V。

最小额定电流：实际应用中，取值范围是理论值1.5~3倍。这里取2，即2 * 12.6 = 25.2A。 

常用尺寸：5*20、6*30、10*38。

最终选型：250V，30A，10*38mm（保险管座同型号）。

4.EMI电路

X电容：在开关电源上面，一般都会使用X2安规电容。两级X电容，前一级用0.47uF,第二级用0.1uF;单级则用0.47uF。

X电容泄放电阻：IEC60950规定1s内电压需下降至37%，IEC60065规定2s内电压需降至35V。如果按照IEC60950，时间常数RC < 1，则前级泄放电阻R < 2.1MΩ，后级泄放电阻R < 10MΩ。

Y电容：从耐压来看只能选择Y1电容。GJB151中规定Y电容的容量应不大于0.1uF；且工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。I = U*(2πf * C) < 0.35mA，经计算C < 4.7nF。

共模电感：额定电流大于平均输入电流12.6A。EMI测试频率，传导150KHz~30MHz，通常可将截止频率设定在fo = 50KHz左右（一般不低于10KHz）；其中C2位Y电容，假设2.2nF；经计算L1 = 4.6mH。

最终选型：X2电容，前一级0.47uF，第二级0.1uF；X电容泄放电阻，700V，820kΩ，500mW；Y1电容，400V，2.2nF；共模电感，20A，5mH。

5.预充电阻

耐压：最大输入电压，即235.4V。

阻值：经过simulink仿真，已选定电容情况下，约1500Ω时充电时间10~20S（误差5%）。

瞬间功率：水泥电阻瞬时功率大约是额定功率的10倍。即瞬时功率 = (Umax ^ 2) / R，其中Umax为最大峰值电压(235.4*1.414)、R为预充电阻(1500*0.95)。经计算得，77.75W，即额定功率为7.775W。

最终选型：耐压750V，阻值750Ω，功率5W，串联数2。

6.预充继电器

额定电压：最大输入电压，即235.4V。
额定电流：输入电流12.6A。

最终选型：额定电压250VAC，额定电流15A。

7.确定母线参数

母线电压：输出电压 * 1.414 / 0.9 / 0.9（电网波动） / 0.9（母线波动） = 427V。

交流变压：母线电压 / 1.414 ≈ 300V

最小等效电阻：（最小母线电压 ^ 2） / （最大输出功率 / 效率），经计算为97.1706456Ω。

脉动周期：市电50Hz，经过整流桥整流后频率为100Hz。即脉动周期为0.01S。

母线电压波动：目标值设定为，下降不得小于90%。

预充时间：目标值设定为10-20S，充到405V（95%）。

8.隔离变压器

频率：50Hz

初级：220V 12.6A

次级：300V 9.24A

功率：输入电流 * 输入电压 = 2772W ≈ 3000W

9.输入整流桥

正向电流：峰值电流 * 1.2（余量），即9.24 * 1.414 * 1.2 = 15.67 ≈ 16A

反向耐压：峰值电压 * 1.2（余量） * 2（防漏电流系数），即321 * 1.414 * 1.2 * 2 = 1089.3456V

最终选型：正向电流35A，反向耐压1000V。

10.母线电容

耐压：峰值电压 * 1.2（余量） = 300 * 1.414 * 1.07 * 1.2 = 544.6728V

容量：e ^ ((-1 * t) / (R * C)) > 电压波动，其中t为脉动周期、R为等效电阻。经计算得，C > 976.758μF。

最终选型：耐压400V，容量1.2mF，漏电流1.5mA。2串2并。（容量误差±20%，因此C > 1221μF）。

11.母线电容平衡电阻

阻值：（母线峰值电压 / 串联数） / （漏电流 * 并联数 * 20） = 3888.5Ω

功率：（母线峰值电压 / 串联数） ^ 2 / 阻值 = 13.9986W

12.全桥MOS

漏源额定电压：峰值电压 * 1.5（余量） = 321 * 1.414 * 1.5 = 680.841V

额定电流：输出电流 * 1.1（余量） * 1.414 * 1.2（纹波） = 10.18 ≈ 11A。

13.输出滤波电路

截止频率：f < 开关频率 / 6且f > 最大输出频率 * 6，即[600,5333]

根据公式f < 1 / (2 * π * sqrt(lc))，即lc ∈ [9e-10,7e-8]

电流纹波小于20%：(Uin - Uout) / L  * (Uout / Uin) * T < Imax * 20%

                               Uin：变压器次级电压

                               Uout：输出电压

                               L：电感量

                               T：脉动周期

                               Imax：最大输出电流

        对上式进行变换L > ((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

            首先，当Uin =Uinmax时，((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

            其次，当Uout = Uin / 2时，((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)最大

            因此，L > ((Uinmax / 4) * T) / (Imax * 20%)时即可

            经过计算得，L > 2.3mH

根据滤波参数LC ∈ [9e-10,7e-8]。如果L = 3mH，则C约等于0.3uF~23.3uF。

纹波系数小于0.2%：电容ESR纹波+电容充放电纹波 < Vmax * 0.2% = 0.62216V
      其中，1.Vesr = 电流纹波 * ESR
                 2.Vc = Q / C = （1 / C） * ∫Icdt；电感电流中，平均电流上面包围的面积为充电，面积为(1 / 2) * (电流纹波 / 2) * (T / 2)
      因此，纹波电压 = 电流纹波 * ESR + (电流纹波 * T) / (8 * C) = 电流纹波 * (ESR + T / (8 * C))
      当电容N并联后，ESR = 单体ESR / N，C = 单体C * N。即，纹波电压 = 电流纹波 * (单体ESR + T / (8 * C单体)) / N

在满足纹波电压的情况下，尽量减小电容值，以满足更大的截止频率。

假负载损耗不超过5%，则Pdummyload < Poutmax * 0.05 = 60W，Umax ^ 2 / R < 60，R > 806.67Ω

滤波电感：电感 * 1.3（余量） = 2.3 * 1.3 = 3mH；

                  电流：（电流+1/2纹波） * 1.3(温升余量) = (Imax + (Imax * 20% / 2)) * 1.3 = 7.8A ≈ 8A

滤波电容：峰值电压 * 1.2（余量） = 220 * 1.414 * 1.2 = 373.296V
                 容量：N = 1，薄膜电容忽略ESR。经计算，C > 9.6856uF，且0.3uF~23.3uF。

最终选型：电感3mH，8A；电容10uF，900V；假负载10000Ω，700V，额定功率10W，2并。