P11.1主電路設(shè)計2

1、電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.C2015. 2015. 春季學(xué)期春季學(xué)期電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11本次課內(nèi)容概要本次課內(nèi)容概要2.2. 熱設(shè)計及熱設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 1. 主電路設(shè)計主電路設(shè)計3. 3. 機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11主電路設(shè)計

2、主電路設(shè)計 主電路的設(shè)計通常在整個電源的設(shè)計過程中具有最為重要的地位，一旦完成設(shè)計，不宜輕易改變，因此設(shè)計時對各方面問題應(yīng)考慮周全，避免返工，造成時間和經(jīng)費的浪費。 主電路主電路拓?fù)渫負(fù)涞牡倪x擇選擇根據(jù)電源功率的不同要求，宜采用不同的電路形式。 小功率電源（1100W）宜采用電路簡單、成本低的反激型電路； 電源功率在100W以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時，應(yīng)采用正激型電路； 6565W W筆記本適配器（反激）筆記本適配器（反激）對于功率大于500W，則半橋型或全橋型電路較為合理； 如果對成本要求比較嚴(yán)，可以采用半橋型電路；如果功率很大，則應(yīng)采用全橋型電路；推挽型電路通

3、常用于輸入電壓很低、功率較大的場合。次級次級全全橋橋整流整流( (輸出輸出100V100V場合場合) )次級全次級全波整流波整流( (輸出輸出5100V5100V場合場合) )次級倍次級倍流整流流整流( (輸出輸出5100V5100V場合場合) )電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11 硬開關(guān)與軟開關(guān)電路的選擇硬開關(guān)與軟開關(guān)電路的選擇 在設(shè)計中，通常需要綜合考慮可靠性、成本、效率等多方面因素來確定是否采用軟開關(guān)技術(shù)。ttiup硬開關(guān)關(guān)斷過程硬硬開關(guān)開關(guān)u

4、ttip軟開關(guān)關(guān)斷過程軟軟開關(guān)開關(guān)電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11v 主電路設(shè)計實例主電路設(shè)計實例 技術(shù)要求：技術(shù)要求： 輸入電壓：輸入電壓： 交流三相交流三相380 380 10%V10%V，50Hz50Hz。 輸出電壓：輸出電壓： 調(diào)節(jié)范圍調(diào)節(jié)范圍160280V160280V。 輸出電流：輸出電流： 最大最大2 20 0A A。 輸出紋波：輸出紋波： 電壓電壓紋波系數(shù)紋波系數(shù)0.5%0.5%。 工作溫度：工作溫度： 040 040。 電氣工程系

5、電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part1181. 主電路的選型主電路的選型 最大輸出功率為最大輸出功率為20A20A280V=5600W280V=5600W，屬于功率較大，屬于功率較大的開關(guān)電源，因此可取全橋型電路；的開關(guān)電源，因此可取全橋型電路； 輸出電壓最高為輸出電壓最高為280V280V，考慮到二極管的耐壓，變，考慮到二極管的耐壓，變壓器二次側(cè)應(yīng)采用全橋型整流電路。壓器二次側(cè)應(yīng)采用全橋型整流電路。2. 2. 采用硬開關(guān)電路采用硬開關(guān)電路。主電路設(shè)計主電路設(shè)計 電

6、氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11主電路主電路DC-DCDC-DC選擇選擇方案方案主電路原理圖示意圖主電路原理圖示意圖電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11變壓器前級電路示意圖變壓器前級電路示意圖電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switchi

7、ng Power Supplies /Part11Part11二二. .參數(shù)設(shè)計及選型參數(shù)設(shè)計及選型（部分計算示例）（部分計算示例）（1 1）整流橋）整流橋假設(shè)設(shè)電源效率為假設(shè)設(shè)電源效率為92%92%，暫不考慮功率因數(shù)，暫不考慮功率因數(shù)max/1.35(1 10%)odinPIU5600W/92%13.2A1.35*(1 10%)*380Vmax/3(1 10%)opRMSinPIU5600W10.28A3(1 10%)*380V*92%交流輸入電流：交流輸入電流：電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Pow

8、er Supplies /Part11Part11（2 2）輸入電容的計算）輸入電容的計算min5600/0.92453 45ininPWJAf在額定輸出情況下，要使輸出滿足要求，則每個周期中輸入濾波電容Cin應(yīng)提供的能量A=3(三相三相)f :輸入輸入交流電壓的頻率范圍為交流電壓的頻率范圍為4565Hz。電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11ppV整流后的直流母線電壓的最大脈動值 取為10%()2*10%ppin minUU2*380(1 10%)*1

9、0%48V因此，每個半周期內(nèi)，輸入濾波因此，每個半周期內(nèi)，輸入濾波電容電容需需提供提供的能量為：的能量為：22minmin12222ininppininWCUUU電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part1122minmin22ininppininWCUUU輸入輸入濾波濾波電容電容：2245102148248248inCuF因此因此，可可選擇選擇1000uF/400V 兩串兩并兩串兩并 鐵心鐵心的的選取選取 AP法 （3 3）變壓器的設(shè)計變壓器的設(shè)計 繞組繞組匝

10、數(shù)匝數(shù) 繞組繞組導(dǎo)體導(dǎo)體截面截面積（線徑）積（線徑） 計算變壓器變比計算變壓器變比 計算計算 電壓變比電壓變比kT T： 1minmax2maxkiToNUDNUU 取輸入電壓下限時的整流電壓取輸入電壓下限時的整流電壓，取取462V。 miniUmaxDmaxoU1.474Tk U將將以上數(shù)據(jù)代入上式，可得以上數(shù)據(jù)代入上式，可得 最大占空比，全橋為二次側(cè)的，此處最大占空比，全橋為二次側(cè)的，此處選選為為0.9 選為最高輸出選為最高輸出電壓電壓 ，取取280V， 整流二極管整流二極管壓降和電路中線路壓降等。壓降和電路中線路壓降等。選選2V。22.341.35UU線在最大在最大D和最低和最低Ui的的

11、條件下條件下， 輸出輸出電壓能達到要求的上限電壓能達到要求的上限1.474Tk 鐵心的選取鐵心的選取： 7441j02TPewScPAA AfB km首先按下式計算鐵心截面鐵心截面積積Ae -窗口窗口面積面積Aw的積 AP法 PT =11200W 一次二次側(cè)總功率，一次二次側(cè)總功率， fs = 20kHz 開關(guān)頻率開關(guān)頻率 j =4*106A/m2 繞組導(dǎo)體的電流密度繞組導(dǎo)體的電流密度 kc =0.5 繞組在窗口的填充系數(shù)繞組在窗口的填充系數(shù)B B =0.35T 無抽頭，效率為無抽頭，效率為1時時,PT=2Pohttp:/www. (59.1mm-19.8mm)/2 Aw=11.1*10-4m

12、m2Ap=43.5mm2 Ae=3.92*10-4m228.2mm滿足設(shè)計要求滿足設(shè)計要求 繞組匝數(shù)：可可得得 N1=51匝匝* 1.474=75匝匝一次繞組匝數(shù)可由二次繞組匝數(shù)一次繞組匝數(shù)可由二次繞組匝數(shù)和和匝匝比比（KT=1.474）推算得到推算得到：2TVeeu dtSNBABA6200max2max280*25*102TsTonOoSVTSU dtU dtU全橋VTSu dt繞組承受的最大繞組承受的最大 伏伏-秒面積秒面積（即正或負(fù)半周面積）（即正或負(fù)半周面積）選定鐵心后，計算繞組匝數(shù)-264280*25*100.35*3.92*1=051N匝根據(jù)下式可得二次繞組的導(dǎo)體二次繞組的導(dǎo)體截

13、面積為根據(jù)電壓比算出一次繞組導(dǎo)體一次繞組導(dǎo)體的截面積為120Aj4cIA 225cAmm213.4cAmm 計算計算繞組繞組導(dǎo)體截面：導(dǎo)體截面：litz wire李茲李茲線線利利茲茲線線漆包線漆包線2/20A/1.474j4TcIKA （3 3）輸出濾波）輸出濾波電感的設(shè)計電感的設(shè)計計算電感值計算電感值 繞線導(dǎo)體截面積繞線導(dǎo)體截面積計算繞組匝數(shù)計算繞組匝數(shù)計算氣隙計算氣隙，選定電感鐵心選定電感鐵心max3590=0.638 1.47420 1048iTsULmHk fI輸入輸入電壓最大值電壓最大值 取取590V590VmaxiUSfI0.63LmH開關(guān)開關(guān)頻率為頻率為 20kHz20kHz取最

14、大輸出取最大輸出電流電流20A的的20%，即，即4A允許的電感電流最大紋波允許的電感電流最大紋波峰峰- -峰峰值值 計算電感值計算電感值 L=0.63mHim=22A，電感最大峰值電流，電感最大峰值電流20A+20*20%，選定電感鐵心選定電感鐵心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，電感最大輸出電流，電感最大輸出電流20A，J 填充系數(shù)取填充系數(shù)取0.5kc 電流密度取電流密度取 5A/mm2Ap=43.5mm2E80/38/20-3C94選擇選擇E80/38/20-3C943m4

15、m0.63 10221180.3 3.92 10LeLiNB A118LN 匝 計算計算繞組匝數(shù)繞組匝數(shù)計算計算氣隙長度氣隙長度27423034103.92 1011811 100.63 10eLANlmL0 為真空磁導(dǎo)率70410mHl= 0.55mm繞線導(dǎo)體截面積繞線導(dǎo)體截面積220A /54cLAmm電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11輸出濾波電容的目的是為了滿足輸出紋波電壓的要求輸出濾波電容的目的是為了滿足輸出紋波電壓的要求，。，。設(shè)計設(shè)計要求

16、輸出紋波系數(shù)小于要求輸出紋波系數(shù)小于0.5%VVU8 . 0%5 . 0160輸出電壓紋波有效值取為輸出電壓下限值的輸出電壓紋波有效值取為輸出電壓下限值的0.5% 0.5% ，(4)(4)濾波濾波電容的確定電容的確定當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓最高最高Uimax590V，輸出電壓最低輸出電壓最低時時Uomin160V，輸出濾波電容輸出濾波電容C需要的需要的最大最大值值電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11U ULfLf電感直流壓降取電感直流壓降取0.5V 0.5

17、V U UDRDR二極管二極管直流直流壓降壓降取取2V2V minmin2max(1)8(2)ooiLfDRTUUCULfsUUUkC=15uF/600V C=15uF/600V 薄膜電容薄膜電容332160160(1)5908 0.63 10(220 10 )0.80.521.474電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11（5）開關(guān)器件及二極管的設(shè)計 變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計 二極管承受的反向電壓最大值為整流電壓最大值除以

18、變壓器的電壓比，取400V，考慮到二極管關(guān)斷時會有過電壓，并考慮到輸出電壓的浪涌等因素，因此選取二極管的耐壓不因此選取二極管的耐壓不低于低于600V。 流過二極管的峰值電流為流過二極管的峰值電流為 最大平均電流為最大平均電流為選擇選擇 IXYS 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 DSEI 30-06Amaxmax122A2DoIII maxmax111A2DoII電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11（6 6）開關(guān)開關(guān)器件的設(shè)計器件的設(shè)計開關(guān)開關(guān)器件器件選取選取

19、IGBTIGBT，其耐壓為輸入電壓整流后的其耐壓為輸入電壓整流后的峰值峰值= =591V591V，考慮到關(guān)斷時的過電壓以及輸入電壓的浪涌，開關(guān)器件的耐考慮到關(guān)斷時的過電壓以及輸入電壓的浪涌，開關(guān)器件的耐壓取壓取800V800V以上。以上。 流過流過IGBT的的峰值電流為峰值電流為 最大平均電流為最大平均電流為maxmax1()22/1.415.7A2SoTIIIkAmaxmaxmax16.42SoTID IkA選擇選擇 英飛凌英飛凌 單單管管IGBT IKW25T120電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching P

20、ower Supplies /Part11Part11電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11本次課內(nèi)容概要本次課內(nèi)容概要2.2. 熱設(shè)計及熱設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 1. 主電路設(shè)計主電路設(shè)計3. 3. 機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao

21、.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計開關(guān)元件的開關(guān)元件的熱設(shè)計熱設(shè)計（占發(fā)熱的（占發(fā)熱的50%80%）管芯管殼散熱器環(huán)境thJCRthh ARJTATthPCT溫差、熱阻和發(fā)熱功率間的關(guān)系為溫差、熱阻和發(fā)熱功率間的關(guān)系為()JAthJ CthC hthh AthTTRRRPhTthC hR管芯管芯管殼管殼管殼管殼散熱器散熱器散熱器散熱器環(huán)境環(huán)境電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching P

22、ower Supplies /Part11Part1134 環(huán)境溫度環(huán)境溫度TA的范圍在設(shè)計任務(wù)書中通常都有的范圍在設(shè)計任務(wù)書中通常都有規(guī)定，工業(yè)用電源一般為規(guī)定，工業(yè)用電源一般為40-55。 熱設(shè)計的目的是在 和 基本確定的條件下，選擇合適的熱阻 和 ，使工作時管芯的溫度低于最大允許的結(jié)溫。 thP)(maxmaxAJTTCthJRthh ARthC hR 通常開關(guān)器件通常開關(guān)器件管芯極限溫度管芯極限溫度 TJmax 為為125150 ，電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /

23、Part11Part11351 1. . 結(jié)結(jié)殼熱阻殼熱阻 的的選擇原則選擇原則CthJRq 電流容量較大的器件通常具有較小的熱阻，電流容量較大的器件通常具有較小的熱阻，而且通態(tài)壓降也低，使得發(fā)熱功率降低，有利于而且通態(tài)壓降也低，使得發(fā)熱功率降低，有利于降低溫升，但容量較大的器件成本較高。降低溫升，但容量較大的器件成本較高。q 采用器件并聯(lián)或電路多重化技術(shù)，可成倍降采用器件并聯(lián)或電路多重化技術(shù)，可成倍降低熱阻。但同時成本也將成倍提高，且須考慮器低熱阻。但同時成本也將成倍提高，且須考慮器件均流問題。件均流問題。電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power S

24、upplies /Switching Power Supplies /Part11Part112 2. . 殼殼散熱器散熱器熱阻熱阻 thC hR電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part1137 3. 散熱器-環(huán)境熱阻 的設(shè)計原則thhARq 采用散熱面積較大的散熱器，可得到較低的熱阻，采用散熱面積較大的散熱器，可得到較低的熱阻，但增加了體積和重量，提高了成本。但增加了體積和重量，提高了成本。q 采用強制風(fēng)冷，并提高空氣流速可達到更好的散熱效采用強制風(fēng)冷，并提

25、高空氣流速可達到更好的散熱效果，但成本會增加，而且在某種程度上降低了系統(tǒng)的可靠果，但成本會增加，而且在某種程度上降低了系統(tǒng)的可靠性，并令噪聲明顯增大。性，并令噪聲明顯增大。 q合理合理的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計有可能達到事半功倍的效果。的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計有可能達到事半功倍的效果。熱設(shè)計應(yīng)在滿足結(jié)溫不超標(biāo)的條件下，將性能與成本結(jié)合考熱設(shè)計應(yīng)在滿足結(jié)溫不超標(biāo)的條件下，將性能與成本結(jié)合考慮，達到綜合最優(yōu)。慮，達到綜合最優(yōu)。電氣工程系電氣工程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11電氣工程系電氣工

26、程系Guitao.CGuitao.CSwitching Power Supplies /Switching Power Supplies /Part11Part11變壓器變壓器和電抗器的熱設(shè)計和電抗器的熱設(shè)計 變壓器和電抗器在工作中會產(chǎn)生損耗，并以熱的形式向環(huán)境發(fā)散，鐵心和繞組的溫度都會升高。因此必須進行合理的熱設(shè)計，在保證可靠性、經(jīng)濟性的前提下，使變壓器和電抗器在合理的溫度下正常工作。由于鐵心材料特性、繞組絕緣材料特性等的限制，變壓器和電抗器的溫度不能過高， 變壓器和電抗器的損耗可以分為鐵損（鐵芯中產(chǎn)生的損耗）和銅損（繞組中產(chǎn)生的損耗）兩部分。CuFeppppTAhT T為溫升為溫升；A A

27、為變壓器或電抗器表面積為變壓器或電抗器表面積；h h為對流換熱系數(shù)，與對流介質(zhì)及流速相關(guān)，為對流換熱系數(shù)，與對流介質(zhì)及流速相關(guān)，自然空自然空氣對流時氣對流時，為，為1-10W/(m2K),強制對流時，強制對流時， 20-100W/(m2K)。得到總的損耗，得到總的損耗，然后然后根據(jù)下式計算變壓器的溫升：根據(jù)下式計算變壓器的溫升：p 開關(guān)電源中變壓器和電抗器通常采用鐵氧體、非開關(guān)電源中變壓器和電抗器通常采用鐵氧體、非晶或納米晶體材料作為鐵心，這些鐵心材料的生晶或納米晶體材料作為鐵心，這些鐵心材料的生產(chǎn)廠家通常會提供在工況下其材料的產(chǎn)廠家通常會提供在工況下其材料的比損耗曲線比損耗曲線，即單位重量或

28、單位體積的損耗功率值即單位重量或單位體積的損耗功率值。p 設(shè)計時只需根據(jù)工作頻率、最大工作磁通密度設(shè)計時只需根據(jù)工作頻率、最大工作磁通密度等參數(shù)，在曲線中查找出對應(yīng)的比損耗值，再等參數(shù)，在曲線中查找出對應(yīng)的比損耗值，再乘以所選磁心的重量或體積即可。乘以所選磁心的重量或體積即可。 鐵損鐵損又可以分為又可以分為 磁滯損耗磁滯損耗 和和 渦流損耗渦流損耗 總的鐵損可按如下經(jīng)驗公式計算總的鐵損可按如下經(jīng)驗公式計算mFeBfp=1.8 =1.8 =2 =2 與磁芯材料有關(guān)與磁芯材料有關(guān) 鐵損鐵損 P PFeFe的計算：的計算： v 變壓器和電抗器的銅損與繞組的電阻有關(guān)，是電流流過繞組導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的損耗電流流過繞組導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的損耗。計算繞組銅損的公式為 :是繞組的交流電阻，其與流過繞組電流的頻率和繞組溫度有關(guān)，(一般應(yīng)按實際工作時的溫度計算) 2IRpACCuACRI銅銅損損 P Pcucu 的計算：的計算： : :為為流過繞組電流的有效值。流過繞組電流的有效值。