P11.1主电路设计2

1、电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.C2015. 2015. 春季学期春季学期电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11本次课内容概要本次课内容概要2.2. 热设计及热设计及结构设计结构设计1. 1. 主电路设计主电路设计3. 3. 机箱结构设计机箱结构设计电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11主电路设计

2、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。 主电路主电路拓扑拓扑的的选择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（1100W）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； 6565W W笔记本适配器（反激）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

3、常用于输入电压很低、功率较大的场合。次级次级全全桥桥整流整流( (输出输出100V100V场合场合) )次级全次级全波整流波整流( (输出输出5100V5100V场合场合) )次级倍次级倍流整流流整流( (输出输出5100V5100V场合场合) )电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11 硬开关与软开关电路的选择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硬开关关断过程硬硬开关开关u

4、ttip软开关关断过程软软开关开关电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11v 主电路设计实例主电路设计实例 技术要求：技术要求： 输入电压：输入电压： 交流三相交流三相380 380 10%V10%V，50Hz50Hz。 输出电压：输出电压： 调节范围调节范围160280V160280V。 输出电流：输出电流： 最大最大2 20 0A A。 输出纹波：输出纹波： 电压电压纹波系数纹波系数0.5%0.5%。 工作温度：工作温度： 040 040。 电气工程系

5、电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part1181. 主电路的选型主电路的选型 最大输出功率为最大输出功率为20A20A280V=5600W280V=5600W，属于功率较大，属于功率较大的开关电源，因此可取全桥型电路；的开关电源，因此可取全桥型电路； 输出电压最高为输出电压最高为280V280V，考虑到二极管的耐压，变，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。压器二次侧应采用全桥型整流电路。2. 2. 采用硬开关电路采用硬开关电路。主电路设计主电路设计 电

6、气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11主电路主电路DC-DCDC-DC选择选择方案方案主电路原理图示意图主电路原理图示意图电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11变压器前级电路示意图变压器前级电路示意图电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switchi

7、ng Power Supplies /Part11Part11二二. .参数设计及选型参数设计及选型（部分计算示例）（部分计算示例）（1 1）整流桥）整流桥假设设电源效率为假设设电源效率为92%92%，暂不考虑功率因数，暂不考虑功率因数max/1.35(1 10%)odinPIU5600W/92%13.2A1.35*(1 10%)*380Vmax/3(1 10%)opRMSinPIU5600W10.28A3(1 10%)*380V*92%交流输入电流：交流输入电流：电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Pow

8、er Supplies /Part11Part11（2 2）输入电容的计算）输入电容的计算min5600/0.92453 45ininPWJAf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(三相三相)f :输入输入交流电压的频率范围为交流电压的频率范围为4565Hz。电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11ppV整流后的直流母线电压的最大脉动值 取为10%()2*10%ppin minUU2*380(1 10%)*1

9、0%48V因此，每个半周期内，输入滤波因此，每个半周期内，输入滤波电容电容需需提供提供的能量为：的能量为：22minmin12222ininppininWCUUU电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part1122minmin22ininppininWCUUU输入输入滤波滤波电容电容：2245102148248248inCuF因此因此，可可选择选择1000uF/400V 两串两并两串两并 铁心铁心的的选取选取 AP法 （3 3）变压器的设计变压器的设计 绕组绕组匝

10、数匝数 绕组绕组导体导体截面截面积（线径）积（线径） 计算变压器变比计算变压器变比 计算计算 电压变比电压变比kT T： 1minmax2maxkiToNUDNUU 取输入电压下限时的整流电压取输入电压下限时的整流电压，取取462V。 miniUmaxDmaxoU1.474Tk U将将以上数据代入上式，可得以上数据代入上式，可得 最大占空比，全桥为二次侧的，此处最大占空比，全桥为二次侧的，此处选选为为0.9 选为最高输出选为最高输出电压电压 ，取取280V， 整流二极管整流二极管压降和电路中线路压降等。压降和电路中线路压降等。选选2V。22.341.35UU线在最大在最大D和最低和最低Ui的的

11、条件下条件下， 输出输出电压能达到要求的上限电压能达到要求的上限1.474Tk 铁心的选取铁心的选取： 7441j02TPewScPAA AfB km首先按下式计算铁心截面铁心截面积积Ae -窗口窗口面积面积Aw的积 AP法 PT =11200W 一次二次侧总功率，一次二次侧总功率， fs = 20kHz 开关频率开关频率 j =4*106A/m2 绕组导体的电流密度绕组导体的电流密度 kc =0.5 绕组在窗口的填充系数绕组在窗口的填充系数B B =0.35T 无抽头，效率为无抽头，效率为1时时,PT=2Pohttp:/www. (59.1mm-19.8mm)/2 Aw=11.1*10-4m

12、m2Ap=43.5mm2 Ae=3.92*10-4m228.2mm满足设计要求满足设计要求 绕组匝数：可可得得 N1=51匝匝* 1.474=75匝匝一次绕组匝数可由二次绕组匝数一次绕组匝数可由二次绕组匝数和和匝匝比比（KT=1.474）推算得到推算得到：2TVeeu dtSNBABA6200max2max280*25*102TsTonOoSVTSU dtU dtU全桥VTSu dt绕组承受的最大绕组承受的最大 伏伏-秒面积秒面积（即正或负半周面积）（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二次绕组的导体截

13、面积为根据电压比算出一次绕组导体一次绕组导体的截面积为120Aj4cIA 225cAmm213.4cAmm 计算计算绕组绕组导体截面：导体截面：litz wire李兹李兹线线利利兹兹线线漆包线漆包线2/20A/1.474j4TcIKA （3 3）输出滤波）输出滤波电感的设计电感的设计计算电感值计算电感值 绕线导体截面积绕线导体截面积计算绕组匝数计算绕组匝数计算气隙计算气隙，选定电感铁心选定电感铁心max3590=0.638 1.47420 1048iTsULmHk fI输入输入电压最大值电压最大值 取取590V590VmaxiUSfI0.63LmH开关开关频率为频率为 20kHz20kHz取最

14、大输出取最大输出电流电流20A的的20%，即，即4A允许的电感电流最大纹波允许的电感电流最大纹波峰峰- -峰峰值值 计算电感值计算电感值 L=0.63mHim=22A，电感最大峰值电流，电感最大峰值电流20A+20*20%，选定电感铁心选定电感铁心360.631022200.30.5510jmPewmcLi IAA ABk7437 10 mBm 最大磁通密度取最大磁通密度取0.3T I=20A，电感最大输出电流，电感最大输出电流20A，J 填充系数取填充系数取0.5kc 电流密度取电流密度取 5A/mm2Ap=43.5mm2E80/38/20-3C94选择选择E80/38/20-3C943m4

15、m0.63 10221180.3 3.92 10LeLiNB A118LN 匝 计算计算绕组匝数绕组匝数计算计算气隙长度气隙长度27423034103.92 1011811 100.63 10eLANlmL0 为真空磁导率70410mHl= 0.55mm绕线导体截面积绕线导体截面积220A /54cLAmm电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11输出滤波电容的目的是为了满足输出纹波电压的要求输出滤波电容的目的是为了满足输出纹波电压的要求，。，。设计设计要求

16、输出纹波系数小于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输出电压纹波有效值取为输出电压下限值的0.5% 0.5% ，(4)(4)滤波滤波电容的确定电容的确定当输入电压当输入电压最高最高Uimax590V，输出电压最低输出电压最低时时Uomin160V，输出滤波电容输出滤波电容C需要的需要的最大最大值值电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11U ULfLf电感直流压降取电感直流压降取0.5V 0.5

17、V U UDRDR二极管二极管直流直流压降压降取取2V2V minmin2max(1)8(2)ooiLfDRTUUCULfsUUUkC=15uF/600V C=15uF/600V 薄膜电容薄膜电容332160160(1)5908 0.63 10(220 10 )0.80.521.474电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11（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

18、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因此选取二极管的耐压不低于低于600V。 流过二极管的峰值电流为流过二极管的峰值电流为 最大平均电流为最大平均电流为选择选择 IXYS 快恢复二极管快恢复二极管 DSEI 30-06Amaxmax122A2DoIII maxmax111A2DoII电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11（6 6）开关开关器件的设计器件的设计开关开关器件器件选取选取

19、IGBTIGBT，其耐压为输入电压整流后的其耐压为输入电压整流后的峰值峰值= =591V591V，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，开关器件的耐压取压取800V800V以上。以上。 流过流过IGBT的的峰值电流为峰值电流为 最大平均电流为最大平均电流为maxmax1()22/1.415.7A2SoTIIIkAmaxmaxmax16.42SoTID IkA选择选择 英飞凌英飞凌 单单管管IGBT IKW25T120电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching P

20、ower Supplies /Part11Part11电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11本次课内容概要本次课内容概要2.2. 热设计及热设计及结构设计结构设计1. 1. 主电路设计主电路设计3. 3. 机箱结构设计机箱结构设计电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao

21、.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11热设计和结构设计热设计和结构设计开关元件的开关元件的热设计热设计（占发热的（占发热的50%80%）管芯管壳散热器环境thJCRthh ARJTATthPCT温差、热阻和发热功率间的关系为温差、热阻和发热功率间的关系为()JAthJ CthC hthh AthTTRRRPhTthC hR管芯管芯管壳管壳管壳管壳散热器散热器散热器散热器环境环境电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching P

22、ower Supplies /Part11Part1134 环境温度环境温度TA的范围在设计任务书中通常都有的范围在设计任务书中通常都有规定，工业用电源一般为规定，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)(maxmaxAJTTCthJRthh ARthC hR 通常开关器件通常开关器件管芯极限温度管芯极限温度 TJmax 为为125150 ，电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /

23、Part11Part11351 1. . 结结壳热阻壳热阻 的的选择原则选择原则CthJRq 电流容量较大的器件通常具有较小的热阻，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。降低温升，但容量较大的器件成本较高。q 采用器件并联或电路多重化技术，可成倍降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，且须考虑器低热阻。但同时成本也将成倍提高，且须考虑器件均流问题。件均流问题。电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power S

24、upplies /Switching Power Supplies /Part11Part112 2. . 壳壳散热器散热器热阻热阻 thC hR电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part1137 3. 散热器-环境热阻 的设计原则thhARq 采用散热面积较大的散热器，可得到较低的热阻，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。但增加了体积和重量，提高了成本。q 采用强制风冷，并提高空气流速可达到更好的散热效采用强制风冷，并提

25、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。性，并令噪声明显增大。 q合理合理的散热结构设计有可能达到事半功倍的效果。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。虑，达到综合最优。电气工程系电气工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11电气工程系电气工

26、程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11变压器变压器和电抗器的热设计和电抗器的热设计 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，变压器和电抗器的温度不能过高， 变压器和电抗器的损耗可以分为铁损（铁芯中产生的损耗）和铜损（绕组中产生的损耗）两部分。CuFeppppTAhT T为温升为温升；A A

27、为变压器或电抗器表面积为变压器或电抗器表面积；h h为对流换热系数，与对流介质及流速相关，为对流换热系数，与对流介质及流速相关，自然空自然空气对流时气对流时，为，为1-10W/(m2K),强制对流时，强制对流时， 20-100W/(m2K)。得到总的损耗，得到总的损耗，然后然后根据下式计算变压器的温升：根据下式计算变压器的温升：p 开关电源中变压器和电抗器通常采用铁氧体、非开关电源中变压器和电抗器通常采用铁氧体、非晶或纳米晶体材料作为铁心，这些铁心材料的生晶或纳米晶体材料作为铁心，这些铁心材料的生产厂家通常会提供在工况下其材料的产厂家通常会提供在工况下其材料的比损耗曲线比损耗曲线，即单位重量或

28、单位体积的损耗功率值即单位重量或单位体积的损耗功率值。p 设计时只需根据工作频率、最大工作磁通密度设计时只需根据工作频率、最大工作磁通密度等参数，在曲线中查找出对应的比损耗值，再等参数，在曲线中查找出对应的比损耗值，再乘以所选磁心的重量或体积即可。乘以所选磁心的重量或体积即可。 铁损铁损又可以分为又可以分为 磁滞损耗磁滞损耗 和和 涡流损耗涡流损耗 总的铁损可按如下经验公式计算总的铁损可按如下经验公式计算mFeBfp=1.8 =1.8 =2 =2 与磁芯材料有关与磁芯材料有关 铁损铁损 P PFeFe的计算：的计算： v 变压器和电抗器的铜损与绕组的电阻有关，是电流流过绕组导体电阻产生的损耗电流流过绕组导体电阻产生的损耗。计算绕组铜损的公式为 :是绕组的交流电阻，其与流过绕组电流的频率和绕组温度有关，(一般应按实际工作时的温度计算) 2IRpACCuACRI铜铜损损 P Pcucu 的计算：的计算： : :为为流过绕组电流的有效值。流过绕组电流的有效值。