正激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)-13頁(yè)文檔資料

1、7-3正激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中山市技師學(xué)院葛中海由于反激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)變壓器起到儲(chǔ)能電感的作用，因此反激式開(kāi)關(guān)變壓器類(lèi)似于電感的設(shè)計(jì)，但需注意防止 磁飽和的問(wèn)題。反激式在20100W的小功率開(kāi)關(guān)電源方面比較有優(yōu) 勢(shì)，因其電路簡(jiǎn)單，控制也比較容易。而正激式開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器 只起到傳輸能量 的作用, 其開(kāi)關(guān)變壓器可按正常的變壓器設(shè)計(jì)方法，但需考慮磁復(fù)位、同步整流等問(wèn)題。正激式適合50-250W之低壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源。這是二者的重要區(qū)別！ 7.3.1技術(shù)指標(biāo)正激式開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表7-7所示。表7-7正激式開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目參數(shù)輸入電壓?jiǎn)蜗嘟涣?20V輸入電壓變動(dòng)范圍160Vac2

2、35Vac輸入頻率50Hz輸出電壓Vo=5.5V20A輸出功率110W7.3.2工作頻率的確定工作頻率對(duì)電源體積以及特性影響很大，必須很好選擇。工作頻率高時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器和輸出濾波器可小型化，過(guò)渡響應(yīng)速度快。但主開(kāi)關(guān)元件的熱損耗增大、噪聲大，而且集成控制器、主 開(kāi)關(guān)元件、輸出二極管、輸出電容及變壓器的磁芯、還有電路設(shè)計(jì)等受到限制。這里基本工作頻率 f0選200kHz ,則11T - r =5sf0200 103式中，T為周期，f0為基本工作頻率。7.3.3 最大導(dǎo)通時(shí)間的確定對(duì)于正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源，D選為40%45%較為適宜。最大導(dǎo)通時(shí)間tONmax為tONmax = TDmax(7-24)Dma

3、x是設(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)主開(kāi)關(guān)元件、輸出二極管的耐壓與輸出保持時(shí)間、變壓器以及和輸出濾波器的大小、轉(zhuǎn)換效率等都有很大影響。此處，選Dmax =45%。由式(7-24),則有toN max =5 八 0.45=2.25 Q正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)如圖7-25所示。圖7-25 正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源的基本電路結(jié)構(gòu)7.3.4 變壓器匝比的計(jì)算1 .次級(jí)輸出電壓的計(jì)算如圖7-26所示，次級(jí)電壓 V2與電壓VO+VF+VL的關(guān)系可以這樣理解：正脈沖電壓2與1州包圍的矩形“等積變形”為整個(gè)周期T的矩形，則矩形的“縱向的高”就是VO +VF +VL ,即VOVl Vf TV2'tON(7-

4、25)第9頁(yè)式中，Vf是輸出二極管的導(dǎo)通壓降，Vl是包含輸出扼流圈 L2的次級(jí)繞組接線壓降。由此可見(jiàn)，圖7-26所示A面積等于B面積，C是公共面積，因此，真正加在負(fù)載上的輸出 電壓VO更小。圖7-26“等積變形”示意圖根據(jù)式（7-25）,次級(jí)最低輸出電壓 V2min為VOVlVfTV2 min =tON max5.5 0.3 0.5 5=14V2.25式中，VF取0.5V （肖特基二極管），VlW0.3V。2 .變壓器匝比的計(jì)算正激式開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)變壓器只起到傳輸能量|的作用，是真正意義上的變壓器，初、次級(jí) 繞組的匝比N為N =VL（7-26）根據(jù)交流輸入電壓的變動(dòng)范圍160V235V ,則

5、VI =200V350V, Vwn =200V ,所以有N =V|min= 200 14.3V2min14把式（7-25）、（7-25）整合，則變壓器的匝比N為7.3.5變壓器次級(jí)輸出電壓的計(jì)算N = VIm inDmax%VLVF(7-27)變壓器初級(jí)的匝數(shù) Ni與最大工作磁通密度 Bm （高斯）之間的關(guān)系為VIm in tON max4Ni10BmS(7-28)式中，S為磁芯的有效截面積（mm2）, 8為最大工作磁通密度。輸出功率與磁芯的尺寸之間關(guān)系，見(jiàn)表2-3所示。根據(jù) 表2-3粗略計(jì)算變壓器有關(guān)參數(shù)，磁芯選EI-28,其有效截面積 S約為85mm2,磁芯材料相當(dāng)于 TDK的H7c4 ,

6、最大工作磁通密度 Bm可由圖7-27查出。圖7-27 H7C4材料磁芯的B-H特性實(shí)際使用時(shí)，磁芯溫度約為100C,需要確保Bm為線性范圍，因此 Bm在3000高斯以下。但正向激勵(lì)開(kāi)關(guān)電源是單向勵(lì)磁, 頻率而改變。此處，工作頻率為設(shè)計(jì)時(shí)需要減小剩磁 （磁復(fù)位）剩磁隨磁芯溫度以及工作200kHz,則剩磁約減為1000高斯，即磁通密度的線性變化范圍Bm為2000高斯。根據(jù)式（7-28）,得NVIm intON max1 =BmS104200 2.25 104 = 26.5 匝，取整數(shù) 27 匝。2000 85因此，變壓器次級(jí)的匝數(shù) N2為N2 = N1/N = N1=27/14.3=1.9 匝，取

7、整數(shù) 2 匝。當(dāng)N = N1/N2 =27/2=13.5。根據(jù)式（7-27）,計(jì)算最大占空比 Dmax為D maxVO VF VLN = 5.5 0.5 0.3 13.5 42.5%VIm in200也就是說(shuō)，選定變壓器初、次級(jí)繞組分別為27和2匝，為了滿(mǎn)足最低輸入電壓時(shí)還能保證輸出電壓正常，開(kāi)關(guān)電源的最大占空比Dmax約為42.5%,開(kāi)關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間tON max約為2.1 Q 下面有關(guān)參數(shù)的計(jì)算以校正后的Dmax （=42.5%）和tONmax （=2.1心。同時(shí)，由式（7-26）計(jì)算的輸出最低電壓V2min約為14.8V。7.3.6變壓器次級(jí)輸出電壓的計(jì)算1 .計(jì)算扼流圈的電感量流經(jīng)

8、輸出扼流圈的電流IL如圖7-28所示,則 IL為V2minVfVotON max(7-29)式中，L為輸出扼流圈的電感(pH)。圖 7-28扼流圈中的電流波形這里選IL為輸出電流IO (=20A)的10%30%,從扼流圈的外形尺寸、成本、過(guò)程響應(yīng)等方面考慮，此值比較適宜。因此，按IL為IO的20%進(jìn)行計(jì)算。I L= IO 0.2=20 0.2=4A由式(7-29),求得,14.8 0.5 5.5I L = 2.1 =4.6H4如此，采用電感量為4.6流過(guò)平均電流為 20A的扼流圈。若把變壓器次級(jí)的輸出電壓與電流波形合并在一起，如圖7-29所示。在妹期間，V2為幅toFF期間,度14.8V的正脈

9、沖，VD1導(dǎo)通期間扼流圈電流線性上升，電感勵(lì)磁、磁通量增大；在V2為幅度V1/N的負(fù)脈沖(具體分析見(jiàn)下文)，VDi截止、VD2導(dǎo)通，扼流圈電流線性下降，電感消磁，磁通量減小。輸出給負(fù)載的平均電流IO為20A。穩(wěn)態(tài)時(shí)，扼流圈的磁通增大量等于減小量。圖7-29次級(jí)的電壓與電流波形2 .計(jì)算輸出電容的電容量輸出電容大小主要由輸出紋波電壓抑制為幾mV而確定。輸出紋波電壓 Ir由 屋以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻 ESR確定，但輸出紋波一般為輸出電壓的0.3%0.5%。Ir =0.3 0.5 VO0.30.5 5O =15 25mV100100(7-30)ESR,是Equivalent Series Res

10、istance三個(gè)單詞的縮寫(xiě)，翻譯過(guò)來(lái)就是等效串聯(lián)電阻ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。ESR是等效 串聯(lián)”電阻，意味著將兩個(gè)電容串聯(lián)會(huì)增大這個(gè)數(shù)值，而并聯(lián)則會(huì)減少之。I r = I L ESR(7-31)由式（7-31）,求得Ir 1525 ESR= -L =3.75 6.25m QIL 4即工作頻率為200kHz時(shí)，需要選用ESR值6.25mQ以下的電容。適用于高頻可查電容技術(shù) 資料，例如，用8200 F/10V的電容，其ESR值為31mQ,可選6個(gè)這樣的電容并聯(lián)。另外，需 要注意低溫時(shí)ESR值變大。流經(jīng)電容的紋波電流1c 2mls為C 2 1msI C2rms=1.16A2 .

11、3 2 .3(7-32)因此，每一個(gè)電容的紋波電流約為0.2A,因?yàn)檫@里有 6個(gè)電容并聯(lián)。此外，選用電容時(shí)還要考慮到負(fù)載的變化、電流變化范圍、電流上升下降時(shí)間、輸出扼流圈的電感量，使電壓穩(wěn)定的環(huán)路的增益等，它們可能使電容特性改變。7.3.7恢復(fù)電路設(shè)計(jì)1 .計(jì)算恢復(fù)繞組的匝數(shù)恢復(fù)電路如圖7-30所示。VT1導(dǎo)通期間變壓器 T1的磁通量增大， 蓄積能量；VT1截止期 間釋放蓄積的能量，磁通返回到剩磁。圖7-30 恢復(fù)電路（VT1截止時(shí)）電路中T1上繞有恢復(fù)繞組 N3,因此VT1截止期間，原來(lái)蓄積在變壓器中的能量通過(guò)VD4反饋到輸入側(cè)（Ci暫存）。由于VT1截止期間，恢復(fù)繞組 N3兩端的自感電壓限

12、制為輸入電壓 Vi的數(shù)值，惟其如此，VD4才能把存儲(chǔ)在N3中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能反饋到輸入側(cè)。這時(shí)變壓器 初級(jí)感應(yīng)電壓為V1 =N1 VN3(7-33)式中，V1是N1的感應(yīng)電壓，極性為上負(fù)下正；Vi是N3的自感電壓，極性也是上負(fù)下正 （等 于電源電壓）。右王開(kāi)關(guān)兀件的耐壓為800V,使用率為85%,即V1 Vimax 800 0.85=680V。V1680-350=330V由式（7-33）,求得N3Ni "防歐=27 350 =28.6匝,取整數(shù)29匝。3302.計(jì)算RCD吸收電路的電阻與電容VTi導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在Ti中的能量為Ei =Vi2tON2Li式中，Li為變壓器初級(jí)的電感量

13、。VTi截止期間，初級(jí)感應(yīng)電壓使VD3導(dǎo)通，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能，在掉。Ri中消耗的熱量為E2 =Vi'2因?yàn)镋1=E2,聯(lián)立式(7-34)、(7-35),整理得V1 =R2LiTVItON因?yàn)檩斎腚妷鹤罡遃im ax時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間tONmin最短，把上式中的VitON min， 加在VTi上的最大峰值電壓 Vdsp為ON minVdsp=Vimax + Vi=VImax由此，求得R1為R1 = 2VdspVIm axLiTtON min(7-34)R上以熱量形式消耗(7-35)(7-36)換成V imax , tON換成(7-37)(7-38)又，當(dāng)輸入電壓Vimax時(shí)，tONmin

14、為tON m in = tON maxVim in=2.iVim ax"3人 350式（7-38）中，初級(jí)的電感量 L1是未知數(shù)，下面求解。Al-Value值由磁芯的產(chǎn)品目錄提供。EI (E) -28, H7c4 的 A1-Value 值為 5950,則2(7-39)A1-Value= L1/N1由式（7-39）,求得L1為L(zhǎng)1 =5950M2109=5950 27210、4.3mH由式（7-38）,求得R1為680R = 23504.3 10 3 5 10 6 28.2k Q1.2 10式中，加在 VTi上的最大峰值電壓 Vdsp取680V。時(shí)間常數(shù)RiCi比周期T要大的多，一般取

15、10倍左右,則cTC =10=10R15 10 628.2103= 1773pF第13頁(yè)3.計(jì)算主繞組感應(yīng)電壓當(dāng) Vlmax=350V，根據(jù)式（7-33）,得V1'=2735029"325V閱讀瓷g-，I，-、， ，、 一tON即將結(jié)束時(shí)初級(jí)繞組的勵(lì)舟半任激能開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),主開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)變壓器勵(lì)磁，在 磁電流I1為Vi tON / L1 0開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，變壓器需要消磁，恢復(fù)二極管VD3和繞組N3就是為此而設(shè)，勵(lì)磁能量通過(guò)它們反饋到輸入側(cè)。若繞組Ni中蓄積的能量全部轉(zhuǎn)移到繞組N3中，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間“安匝相等”原理仍然成立，則繞組 N3的勵(lì)磁電流I3為把Ii=VitON / Li代

16、入上式，得又，繞組N3的勵(lì)磁電感與繞組 Ni的勵(lì)磁電感的關(guān)系為恢復(fù)二極管 VD3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，變壓器以輸入電壓Vi進(jìn)行消磁。為消除Ii=Vi toN / Li的勵(lì)磁電流Ii,必要的時(shí)間類(lèi)似Ii=Vi toN / Li ,即把上式L3、I3分別用前兩式代入上式，整理得為防止變壓器磁飽和，必須在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間變壓器完全消磁，則即因此，正激變換器的電壓變比限制為270.48227 29Dmax (=0.425)。 . N1比如，本例中 N1=27, N3=29,則 Ni N37.3.8 MOSFET 的選用1. MOSFET的電壓峰值根據(jù)式（7-38），計(jì)算VT i上的電壓峰值Vdsp為_(kāi) 3Vdsp

17、 =3501.2 10 6 690V(28.2 1031.C，2 4.3 105 10實(shí)際上，MOSFET的漏-源極之間的還疊加有幾十伏的浪涌電壓，波形如 圖7-31所示。圖7-31 加在主開(kāi)關(guān)元件上的電壓Vds波形圖7-32主開(kāi)關(guān)元件上的電壓與電流波形2. MOSFET 的電流及功耗根據(jù)變壓器安匝相等原理，MOSFET的漏極電流平均值Ids為N 22I ds = Io =20 一 1.48AN127根據(jù)電感電流的變化量為20%,確定Ids的前峰值1dsi和后峰值Ids2分別為Ids1= I ds 0.9=1.48 0.9=1.33AI ds2 = I ds 1.1=1.48 1.1 = 1.

18、63A式中，Idsi、Ids2分別是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間前、后沿峰值電流，與電流平均值 Ids有10%的差值。VT i的電壓和電流波形如 圖7-32所示，VT i的總功耗FQi為式中，Vds(sat)是MOSFET導(dǎo)通電壓，一般為在 2V以下。采用功率MOSFET計(jì)算功耗時(shí)應(yīng)注意：(1)PN結(jié)溫度Tj越高，導(dǎo)通電阻Rds越大，Tj超過(guò)100c時(shí)，Rds 一般為產(chǎn)品手冊(cè)中給出 值白1.52倍。(2)功率MOSFET功耗中，由于Rds占的比例比較高，必要時(shí)加寬t°N進(jìn)行計(jì)算。即在Mmax時(shí)，采用tON min條件，或者VImin時(shí)，采用t°Nmax條件進(jìn)行計(jì)算。另外，在t°

19、FF期間，由于功率MOSFET的漏極電流極小，其功耗可忽略不計(jì)。因?yàn)閠ON max =2.1 科 § t1 米用MOSFET產(chǎn)品手冊(cè)中給出的上升時(shí)間，t3采用下降時(shí)間。這里,取 t1=0.1§ t3 =0.1§ 則t2 =2.1-0.1-0.1=1.9 科 s由式(7-40),求得PQ1為f 1PQ1=200 1.33Q 6 50.1 3 1.7 1.331.63 1.9 7201.63 0.1 =5.3W式中，Vds(sat)取 1.7V。結(jié)溫Tj控制在120 C,環(huán)境溫度最高為 50c時(shí),需要的散熱器的熱阻Rfa為°Tjmax Ta maxRjcPQ

20、1120Rq =fa PPQ1501.0 5.35.3=12.2C/W由此，需要12.2C/W的散熱器，這時(shí), 定散熱器的大小。散熱器大小與溫升一例如圖 7-33(7-41)由冷卻方式是采用自然風(fēng)冷還是風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷來(lái)決圖7-33所示。功耗與溫升的關(guān)系7.3.9恢復(fù)二極管的選用恢復(fù)二極管選用高壓快速二極管，特別注意反向恢復(fù)時(shí)間要短。1 . VD 3的反向耐壓在tON期間VD3反偏，正極相當(dāng)于接地， 加在VD 3上的反向電壓等于電源電壓。當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，VD 3反偏電壓Vrd 3 =350V。2. VD 4的反向耐壓在toN期間VD4反偏，加在VD4上的反向電壓Vrd 4為電源電壓與恢復(fù)繞組感應(yīng)

21、電壓的疊加，當(dāng)輸入電壓最高時(shí)， VD4反偏電壓Vy4為N3， 29Vrd 4 =Vim ax1 , =3501 - - 726V(7-42)Ni277.3.10輸出二極管的選用輸出二極管選用低壓大電流SBD ,特別注意反向恢復(fù)時(shí)間要短。這是因?yàn)镸OSFET通斷時(shí)，由于二極管反向電流影響初級(jí)側(cè)的開(kāi)關(guān)特性，功耗增大的緣故。1 .整流二極管 VD1的反向耐壓在tOFF期間，由于輸出濾波電感反激，續(xù)流二極管 VD2導(dǎo)通，主繞組Ni感應(yīng)電壓Vi =330V;次級(jí)N2電壓加在整流二極管 VD1的兩端，因此，VD1的反向電壓Vrd1為'No2，、Vrd1=V1N2=325 -24V(7-43)N12

22、7實(shí)際上，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)有幾十伏的浪涌電壓疊加在這電壓上。2 .續(xù)流二極管 VD 2的反向耐壓在tON期間VD1導(dǎo)通，加在續(xù)流二極管 VD 2上的反向電壓Vrd 2與變壓器次級(jí)繞組電壓的最大值V2max相同,即V2max=VImax 2 =350 26V(7-44)Ni27實(shí)際上，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)有幾V浪涌電壓疊加在這電壓上。加在VDi、VD 2導(dǎo)通上的電壓波形如圖7-34所示。(a)整流二極管VDi兩端的電壓波形(b)續(xù)流二極管VDi兩端的電壓波形圖7-34 輸出二極管電壓波形整流二極管VDi的功耗Pd1為Pd1=VFIo Vrd1Ir tOFFT trrT 0trrVrd1Irr 出(7-45)

23、續(xù)流二極管VD2的功耗Pd2為Pl2=VFIo 印Vrd2 Ir ON Vd2Lr dt(7-46)式中，Ir為反向電流，trr為反向恢復(fù)時(shí)間，均采用產(chǎn)品手冊(cè)上給出的數(shù)值。有功耗時(shí)，輸出二極管的電壓和電流波形如圖7-35所示。(b)續(xù)流二極管 VDi兩端的電壓波形(a)整流二極管VDi兩端的電壓波形7.3.11 變壓器參數(shù)的計(jì)算MOSFET的漏極電流平均值Ids為就是變壓器初級(jí)電流的平均值，因此 I1為I1=1.48A正激式開(kāi)關(guān)電源初、次級(jí)的電流同相，且均為梯形波。根據(jù)前述梯形波電流的有效值的公式 式中，K是梯形波電流的前峰值I正與后峰值11P的比值，即K = I1B/I1P本電路Ids1就是

24、I1B , Ids2就是IP，則K = Ids1/Ids2=0.9I1/1.1 I1 =0.82初級(jí)電流的有效值11rms為I 1 rms = 1.1 I dsD21 K K =1.131.48'042 1 0.82 0.822 =0.96A 3第19頁(yè)或用簡(jiǎn)單公式I1rms= 1ds而=1.48 V0.42 =0.96A次級(jí)電流的有效值12 rms為I 2 rms = 11 rmsN11=0.96N227=12.95A2恢復(fù)繞組電流的有效值13rms為1112I 3rms = I 1rmsNi1 =0.96N327=0.89A29自然風(fēng)冷時(shí)電流密度 Jd選為24 (A/mm2),強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)選為35 (A/mm2)較適宜。根據(jù)電流的有效值，變壓器初級(jí)繞組使用的銅線 0.6,電流密度為 3.4 (A/mm2),次級(jí)繞組使用的銅線0.3 9,電流密度為4.8 (A/mm2),恢復(fù)繞組的銅線 0.6,電流密度為3.15 (A/mm2)。7.3.12 輸出扼流圈的計(jì)算輸出扼流圈用磁芯有EI (EE)磁芯、環(huán)形磁芯、鼓形磁芯等。設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)與變壓器一樣，磁通不能飽和，溫升應(yīng)在允許范圍內(nèi)。使用的磁芯也與變壓器一樣，采用4.6仆以上。因?yàn)榱鹘?jīng)線圈中的電流為 20A ,所以，使用0.5mm 9mm的銅條,20 一 24.44A