设计目标:市电输入、开关频率50KHz、60V 20A 1200W输出、输出电压纹波0.2%、输出电流纹波20%、效率0.8。
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.确定母线参数
母线电压:已经确定输入电压198-235.4VAC,则母线电压 = 输入电压 * 1.414,即[279.972 332.8556]。
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52.2562139Ω。
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295.45V(95%)。
6.母线电容
耐压:峰值电压 * 1.2(余量) = 332.8556 * 1.2 = 399.42672V
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 > 1816.2857338μF。
最终选型:耐压450V,容量680uF,并联数4。(容量误差±20%,因此C > 2270μF)。
7.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。
8.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。
9.输入整流桥
正向电流:峰值电流 * 1.2(余量),即12.6 * 1.414 * 1.2 = 21.38A
反向耐压:峰值电压 * 1.2(余量) * 2(防漏电流系数),即235.4 * 1.414 * 1.2 * 2 = 798.85V
最终选型:正向电流35A,反向耐压1000V。
10.隔离变压器
频率:50KHz
初级最小电压:最小母线电压 * 0.9 = 251.9748V
初级最大电压:最大母线电压 = 332.8556V
匝比:3.5:1
次级最大电流:Ioutmax * (1 + 20% / 2),其中Ioutmax为最大输出电流,20%为纹波系数。经计算得,22A。
11.全桥MOS
漏源额定电压:峰值电压 * 1.5(余量) = 235.4 * 1.414 * 1.5 = 499.2834V
额定电流:Its2 / Nts * 4(余量),其中Its2为变压器次级最大电流、Nts为匝比。经计算得,25.1A。
最终选型:漏源电压600V、连续漏极电流48A。
12.栅极驱动电阻和栅极泄放电阻
栅极驱动电阻:开关周期20us,可以将上升时间确定为500ns。通过查MOS管手册Qg = 67nC。根据Q = I * T,计算得I = 0.134A。由于栅极驱动电压为12V,则栅极驱动电阻小于12 / 0.134 ≈ 90Ω。
栅极泄放电阻:5-10KΩ
13.输出整流桥
正向电流:(Imax + (Imax * 20% / 2)) * 1.2,其中Imax为最大电流、20%为纹波系数、1.2为余量。经计算得26.4A。
反向耐压:峰值电压 * 1.2(余量) * 2(防漏电流系数) = 332.8556 / 3.5 * 1.2 * 2 = 228.2V。
反向恢复时间:几十uS
最终选型:快恢复二极管,正向电流60A,反向耐压600V。
14.输出滤波电路
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 > 59.4385uH
电压纹波小于0.2%:纹波电压 = Vesr + Vc < Vmax * 0.2%
Vesr:电容ESR纹波电压
Vc:电容充放电纹波电压
Vmax:最大输出电压
其中,Vesr = 电流纹波 * ESR
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) 即电流纹波 * (ESR + T / (8 * C))
当电容N并联后,纹波电压 = 电流纹波 * (单体ESR + T / (8 * C单体)) / N
假负载损耗小于5%:Umax ^ 2 / R < Pout * 0.05,经计算R > 60Ω
Umax:最大输出电压60V
R:假负载阻值
Poutmax:输出功率1200W
滤波电感:电感 * 1.3(余量) = 59.4 * 1.3 = 77.2uH;
次级最大电流 * 1.3(温升余量) = 22 * 1.3 = 28.6A。
滤波电容:峰值电压 * 1.2(余量) = 60 * (1 + 0.2% / 2) * 1.2 = 72.072V
最大耐电流纹波 * 纹波补正系数 * N < 电流纹波
以红宝石ZLH系列,耐压100V电容为例。(其中T为10us,电流纹波4A)
假负载:峰值电压 * 1.1(余量) = 60 * (1 + 0.2% / 2) * 1.1 = 66.066V
保证电源一直处于CCM模式 (2 * L) / (R * T) > 1,即L / R > 5 * 10 ^ -6。
如果电感选择77.2uH,则R < 15.44Ω;则不能满足R > 60Ω(假负载最低功耗要求)。
因此,我们考虑加大电感量;假设假负载选择60Ω,则L > 300uH。
最终选型:电感300uH,30A;电容220uF,并联数3,100V,ESR 0.06Ω,耐纹波电流1620mA;假负载470Ω,并联数8,750V,额定功率10W。
实物:
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