由于具有电能转换效率高、体积小、控制精度高等优点, 开关电源被广泛应用于电子通信、能源、航天家电等领域, 但开关电源的设计是一个极为繁琐的过程, 其工程设计包括主电源、控制电路、传热、电磁兼容等多方面内容, 本文通过一个设计实例来诠释开关电源主电源的设计过程以及技巧。
1 开关电源的技术要求
输入电压:交流三相380±10%, 50Hz。
输出电压:额定直流220V, 调节范围160V~280V。
输出电流:最大10A。
输出纹波:纹波系数不大于0.5%。
工作温度:0~40℃。
2 主电路设计
2.1 主电路的选型
开关电源的电路结构众多, 有正激型、反激型、半桥型和全桥型, 一般来说 (1W~100W) 宜采用反激型电路, 100W以上应采用正激型, 500W以上采用半桥型和全桥型较为合理, 而成本要求较严采用半桥型, 功率很大则选择全桥型。该电源最大输出功率为10×280W=2800W, 属于功率较大的开关电源, 因此应选取全桥型电路;输出电压最高为280V, 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。
2.2 变压器的设计
变压器设计的核心参数有电压比, 铁心的选取、供组匝数, 以及导体的截面积。
(1) 电压比K T。电压比可按进行计算, Vimin为输入直流电压最小值, 一般情况下可取输入电压的1.2倍, 本例中为440V, 而Dmax为最大占空比, 这与控制电路有关, 此处我们暂选为0.9, Vomax为输出电原主的最大值280V。由此, KT≤1.4。
(2) 铁心的选取。铁心的选取可利用公式, PT为变压器的传输的功率, 取2800W, fs为开关频率取50kHz, △B为铁心材料所允许的最大磁通密谋的变化范围, 如果我们选用是铁氧体材料, △B应为0.2T, dc为绕组导体电流密度, 以铜制导线为4A/mm2, 即4×106A/m2, 代入以上参数得, AeAw≥1.4×10-7m4, 而式中, Ae为铁心磁路截面积, Aw为铁心窗口面积, 根据计算值, 我们选取EE65, 那么其对应铁心截面积为Ae=3.8×10-4m2。
(3) 绕组匝数。绕组匝数我们根据公式可以很方便的算出N2的匝数N2=37匝, 又由KT≤1.4可算出N1=52匝。
(4) 绕组导体截面。由AC2==2.5mm2, 同样可根据电压比可算出AC1=1.8mm2。
2.3 输出滤波电路的设计
(1) 滤波电感的设计。
对于滤波电感, 首先要计算其中感值, 公式为
其中:为电感电流最大纹波峰峰值, 一般取最大输出电流的20%, 此处为2 A。
故:L=7×10-4H=0.7m H。
得到电感值以后, 我们可以利用公式采取与变压器铁蕊计算相同的方法来计算电感的铁芯以及绕组匝数。
通过计算AeAw≥1.28×10-7m4, 可以
选择铁芯型号为EE55b, 其Ae=3.57×10-4m2, A w=3.69×10-4m 2。
再利用公式计算绕组匝数至于Bmax可以 (0.2-0.3) T, 由此可得NL=72匝。
(2) 滤波电容的确定。
滤波电容是比较容易确定, 首先耐压值可以直接确定为400V左右, 其容量与负载大于2有关, 可利用来确定。
2.4 开关器件及二极管的设计
(1) 变压器二次侧整流二极管的设计。二极管所承受的反向电压最大值均为422V, 考虑二极管关断时会有过电压, 以及浪涌等因素, 因此二极管的耐压不低于600V流过二级管的平均电流为5A, 但由于电容的存在, 考虑过冲击电流等因素, 二极管允许流过电流的峰值应大于10A, 而二级管的损耗功率 (即发热功率) 在1KW以上这个值可估算, 但可尽管大些, 这样大的功率必须装散热器, 并需要强制风冷, 可选择DSEI30-06A二级管。
(2) 开关器件的设计。开关器件选取电力MOSFET, 其耐压值应大于输入电压整流后的峰值590V, 同样考虑过电压以及浪涌开关器件耐压取800以上。其流过开关器件的峰值电流为, 因而可选择耐压为800 V, 电流为15 A的1XFH15N80的MOSFET, 同样需装散热器。
3 成型电路
如图1。
4 设计经验总结
(1) 主电路的选型的关键, 在文中我们已有详细的区分。
(2) 对于一些参数的取值是模糊的经验值。如文中△B取0.2T, △取最大输出电流的20%, 绕组在铁心窗口中的填充因数KC取0.5以及二极管和开关器的耐压值估值等, 在设计过程虽然可以大胆引用, 但在不同选型的主电路要根据需修改, 才能更合乎要求。
摘要：本文通过一个大功率开关电源主电路的设计诠释了开关电源的建模和元器件的参数计算和选择以及成型, 并对部分模糊参数的取值范围进行了设定, 降低了设计难度。
关键词：开关电源,主电源
参考文献
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