辅助电源单板硬件详细设计.doc

单板设计规范艾默生网络能源规范编码：版 本： V5.0密 级：机密生效日期：页 数：20 辅助电源单板硬件详细设计项 目 名 称：_Paradigm_项目编号：_审 核(项目经理)：_日 期：_批 准(开发经理)：_日 期：_更 改 信 息 登 记 表规范名称: 单板设计 规范 规范编码:版本更改原因更改说明更改人更改时间1.0原始设计原始设计谢力华2002/8/172.0CAD室多个器件封装错误导致PCB板无法使用谢力华2002/09/263.0优化谢力华2002/11/265.0系统要求能够缺零启动谢力华2003/05/26单板设计项目总目录(没有涉及的部分就不出现)编号单板设计项目备注1原理图2电路设计计算书3PCB布局及其工艺方案摘要：（简述本单板对应的整机及在整机中的作用） 辅助电源为一反激式DC/DC变换器，为整机提供工作电源。关键词： 辅助电源、反激变换艾默生网络能源有限公司文档编号版本密级机密共 页UHW241M5单板原理图 项目名称:_ 项 目 编 号_ 拟 制：-日 期：- 审 核：-日 期：- 1. PARADIGM UPS系统单机供电原理框图Paradigm UPS系统单机电源采用集中式供电，由辅助电源单元将主路输入、旁路输入、母线输入变换为+15V，-15V， +24V(与其它两路隔离)三路输出供给机内相关单元直接采用，或相关单元根据自己的需求(隔离或变压)再进行二次变换。为了提高供电的可靠性，每个单机的辅助电源模块采用完全相同的两块单板输出并联冗余。同时为保证系统具有电池冷启动功能，输出并联的两个电源板分别挂接在正负母线上。2. 原理说明辅助电源单板的功能是为整个UPS系统提供工作电源。辅助电源的输入取电部分放在EMI转接板上进行了处理，这样容易兼顾两块辅助电源的一致性，即当系统中的两块电源板分别从正负母线取电时而不会导致两块辅助电源板的设计不同。辅助电源分别从主路(半波整流)、旁路(半波整流)以及直流母线取电，任何一点有电都可以保证辅助电源的正常工作。三处的取电在EMI转接板上进行了综合，然后接到辅助电源的输入。正常时接入的直流电压大约为400V左右，400V左右的直流电压经过隔离变换，得到所需的+24V、+15V、-15V输出。其中，+24V的输出和其它路的输出是相互隔离的。故障检测部分对输出电压进行了实时的检测，及时的故障上报，保证了系统的安全性。3. 电气原理图（注意：本电路图参数必须与电路设计计算书和热设计计算书一致）艾默生网络能源有限公司文档编号版本密级机密共 页辅助电源单板设计计算书 项目名称：_ 项 目 编 号:_ 拟 制：-日 期：- 审 核：-日 期：- 关键词：摘 要： 一、设计遵从的规范、标准或依据 Paradigm规格书. Paradigm UPS总体设计方案 S0A03二、单板技术条件( 即本功能电路的设计指标，输入条件，输出条件，实现的主要目的)电路设计指标：工作频率：55KHZ电路拓扑结构采用双管双反激式结构，以较低的成本实现多路输出，工作方式随负载条件变化。输出电压等级：（1）输入电压范围： 直流： 145VDC500VDC交流：110VAC360VAC（2）功率需求：+15V-15V+24V需求功率50W8W50W设计功率60W10W55W但存在以下几种特殊情况：（a）辅助电源在输入低压150VDC(110VAC)时，输出功率需要和正常工作时不同。在低压时，这时的电池继电器不会吸合，14个IGBT（整流、逆变及电池的充放电）及输出SCR不用驱动，这样最少可以减少1A的电流输出。即在低压时，辅助电源最多仅需提供的功率为： +15V 34W -15V 7 W+24V 20W总计：61W所以辅助电源在低压输入时，仅需最大提供61W的功率即可。设计提供功率为：+15V 35W -15V 10 W+24V 25W总计：70W（b）实际使用中，一旦系统的整流器工作后，直流母线就会达到800VDC，这时的辅助电源的输入就可以达到近400VDC。其他功能：电源故障检测与保护。三、计算说明书1 直流工作点计算 按照输入电压最低为110VDC设计，规定此时的导通比为0.45，输入电流计算： 平均值：设峰值电流为，刚开通时电流为，取，原边输入电流峰值为： 原边电感量应为： 2 变压器设计根据辅助电源板在系统中位置，变压器的散热状态为弱风冷状态，线径选择的标准是4A/mm2，考虑到集肤效应，线径不应大于0.55mm。PC40材料饱和磁导率0.35T，取。用EE42磁芯，。原边取33匝。+15V绕组：+15V绕组取9匝同理：-15V绕组取9匝；+24V绕组取15匝；+18V馈电绕组取11匝。实际设计可以取变压器的原边电感量：L(14)=0.3mH副边绕组匝数与电流：+15V： 匝数9匝。 绕组输出平均电流为：满载时副边电流的波形系数： 电流的有效值和峰值很大程度上依赖于变压器绕组间漏感，这里的计算与实际会有一定的差距。计算结果只作为设计的初始依据，根据实验结果再做调整。假设各输出绕组的波形系数与+15V绕组相同(最严重情况)。 +24V绕组：由于+15V绕组取9匝，+24V绕组取15匝。 -15V绕组：取9匝。自馈电绕组：取11匝。 绕组输出电流与线径：原边+15V-15V+24V+18V电流有效值1.6 A5.1A1A3.23A0.14A选择线径0.4mm4股并绕0.4mm8股并绕0.4 mm3股并绕0.4mm8股并绕0.3mm4股并绕匝数339915113 器件应力计算与器件选择 电路器件的选择原则：在可以接受的范围内，尽可能的选择公司已有器件。3.1 输入整流器件(EMI转接板) 系统启动时，由市电供电时，考虑最严重情况，输入电压为110VAC时（单相供电），系统启动功率约为60W，流过输入整流二极管的电流有效值为： 系统输入正常时，由于直流母线电压为400V，辅助电源基本从直流母线取电，直流母线电压的变化范围为400V左右，这时的电流约为0.40A。 整流二极管额定可流通电流额定值取为实际工作时电流有效值的两倍，耐压考虑旁路和主路反相时最坏情况为576V，考虑裕量并结合公司现有物料选用1000V二极管UF5408两只串联，额定参数为：3A/1000V。正弦半波允许电流平均值为3A，允许电流有效值为3*1.57=4.8A。可满足要求,并具有强的抗浪涌能力，直流母线隔离采用同样的二极管。3.2 缓冲电阻为将输入浪涌电流限制在额定范围以内，在输入电路中串入缓冲电阻15欧姆。在最高输入电压下，输入浪涌电流可限制在34A以内。同时也可以减小旁路供电或主路供电时，另一路突然切入时的冲击。 3.3 输入滤波电容 输入滤波电容： 为保证输出稳压精度，并考虑电容的耐压值，用两个270uF/400V电容串联。平衡电阻选用200k/2W电阻，单只电阻功耗为0.2W，承受最大电压320V，满足降额要求。 3.4 主开关管开关应力 双开关双反激电路单管承受的最高电压为母线电压加上续流二极管正向恢复电压： 式中VLP为续流二极管正向恢复的电压尖峰。 选用MOSFET单管STW8NB90，额定参数为8A/900V， 在结温为100时承受的最大连续电流值不小于5A。3.5 续流二极管的选择 流过二极管的电流峰值为原边电流峰值为3.42A。二极管承受电压为母线电压，最高为500V。现选用二极管BYV26E，额定参数为1A/1000V。可重复峰值电流承受力为6A。3.6 开关缓冲电路计算 为降低管子开关过程中的振荡，开关漏源之间并联RCD缓冲。电容取470PF。电阻的取值考虑RC时间常数小于管子最小开通时间。电阻取200/3W两只并联，最大功耗为：3.7 整流二极管 整流二极管承受的最大反向电压为：实际选取考虑电压降额及电流电流降额，选择管子及其额定值为： +15V-15V+18V+24V选用管子APT15D60KAPT15D60KBYV26EAPT15D60K额定值16A/600V16A/600V1A/1000V 16A/600V3.8 输出并联二极管的选择 两块电源板并联，每块板子的输出端加二极管，以保证一块电源板损坏时能自动退出供电。并联二极管对耐压的要求较低，对输出电压考虑适当降额即可，为降低损耗，首选肖特基二极管。+15V-15V+24VMBR2045MBR2045MBR204520A/45V 20A/45V20A/45V3.9 输出滤波电容选择 输出滤波电容值的选取应考虑输出纹波，电容发热和电容供电的维持时间。电容的取值对动态性能有很大影响。辅助电源的负载没有大的突变，电容的选择主要考虑供电的稳定性。Paradigm UPS在电源进线处都有电容滤波，且交流取电采用三相半波的方式，因此，辅助电源板的电容不必取很大。主要考虑电压纹波和电容发热情况。 为了满足输出纹波电压： 假设各路输出纹波电压均小于1%,各路所需电容值为：+15V+24V-15V16.3m46.2m88m最后选取电容为：+15V-15V+24V自馈电2200u35V两只并联220u35V两只并联1000u35V两只并联100u50V 两只并联4 电路损耗计算 正常工作时输入电压为直流400VDC，输出功率120W，输入电流平均值为：平均值： 原边输入电流峰值为： 电流有效值为： 为原边电感电流脉动值与峰值之比。4.1 启动电阻损耗4.2 开关管缓冲电阻的损耗与计算 缓冲电路采用RCD吸收，电容选择1000V，470PF。缓冲电路的工作过程为，当开关管关断时，管子原边漏感储存的能量向管子电容和缓冲电容转移，若电容电压达到母线电压时能量仍未释放完毕，续流二极管将开通，否则管子不导通。首先核算高压下缓冲电路损耗： 缓冲电容上在续流二极管开通前可储存能量为3.5W，考虑降额可以取额定功耗为4W的电阻。电阻的阻值考虑在开关最小导通比情况下，电容储存能量可放完毕，电阻取200欧/2W两只并。4.3 开关管损耗与散热器选择 容性开通损耗 管子输出电容为：336PF. 通态损耗：两只管子串联，管子通态电阻在25度时最大值为1.45欧。 关断损耗：管子关断时间为100nS。 总损耗为： 4.4 输出整流二极管损耗计算4.4.1 损耗的理论计算 二极管的模型可等效为恒压源和电阻的串联，恒压源的电压为，电阻为。已知二极管电流波形，电流平均值，有效值，二极管的损耗为： 二极管的模型： 1. FEP16DT 结温为100度，峰值电流为20A时，管子的物理模型为：，=(0.9-0.5)/20=0.02 2. MBR2045 只做并联二极管，模型为电压源：，当Id=4A 二极管的损耗主要由通态损耗，反向恢复损耗和反向漏电流损耗组成。反向漏电流损耗可以忽略，反向恢复损耗较难计算。这里只能计算通态损耗，如下表：+15V-15V+24V电流平均值/有效值3A/4.2A0.67A/1A4A/5.5A整流二极管/并联二极管功耗1.85W/0.6W0.32W/0.13W1.85W/2.37W 输出二极管总损耗为： 以上计算不含二极管的开关损耗和反向漏电流损耗，且是在结温100度条件下计算，这会使计算损耗偏小。因此,把计算损耗乘以修正系数1.5倍，损耗为11W作为选择散热器的依据。4.5 散热器的核算（该部分借用原UL33的设计计算书） 根据电路的布局，原边两只开关管和副边+15V和+24V两只整流二极管共用一个散热器，+15V和+24V两路的并联二极管各用一片散热器。根据我们的计算与实验结果，原边开关管功耗共有5.2W，副边+15V和+24V两只整流二极管损耗共有7.7W。因此散热器需散热量13W，+15V和+24V两路的并联二极管散热器需散热量共2.6W，基于以上数据核算散热器热阻： 散热器的对流换热面积： 散热器处的风速按1米/秒考虑（200LFM） 雷诺数： 对流换热系数： 传导热阻： 对流热阻： 辐射热阻：散热器表面的辐射系数按0.9考虑，环境温度取40度考虑： 散热器表面温度按照40度来考虑，该散热器的最大散热量为： 4.6 变压器的损耗与温升 变压器的损耗主要由铜损和铁损组成。当变压器达到热平衡时，线包和磁芯之间由于有热的不良导体骨架，两者的温升可能不同。 铜损主要由导线电流的直流损耗和涡流损耗决定。随着线包的温升增加，导线直流电阻增大，涡流损耗占铜损绝大部分，但涡流损耗难以计算。 变压器的铁损与选用的磁芯材料有关，损耗主要由工作频率和磁密决定。现选用的磁芯材料为国产R2KBD。该材料为锰锌铁氧体，饱和磁密为510mT，温度为60 ，工作磁密为0.2T，工作频率25KHz时，损耗因子为90KW/M3。 以下我们对变压器损耗进行粗略估算： 现选择EE42c型磁芯，磁芯体积为20.4CM3，工作频率60KHZ，工作磁密0.2T，简单的认为铁损与频率成线形关系，变压器铁损应为： 假设变压器铁损与铜损相等： 变压器总损耗为8.8W。 5.控制电路设计5.1 控制器结构 电路采用UC3844作为控制芯片，内部采用瞬时值电流控制方法，电流反馈电阻取0.25。为实现原副边隔离，反馈取样经TL431和光耦传递到原边，调节器由TL431外加阻容网络构成。5.2 调节器结构与参数设计调节器结构采用比例-积分调节器，参数由实验确定，保证有足够的稳定裕度。 6 辅助电源的输入设计(EMI转接板)为保证供电的可靠性，辅助电源采用三点供电：主路、旁路或直流母线任一点有电都可以保证辅助电源顺利启动，三路之间通过二极管隔离。为保证系统的可靠性及系统的电池冷启动的功能，两块辅助电源分别挂接在正负母线上，主路和旁路输入相应地分别采用半波整流的形式。其输入形式如图所示。其中，每路的二极管均采用两个串联的形式是为了提高二极管的耐压，这样保证了每路二极管的耐压可以达到2000V。可以经受线线之间的差模2000V。辅助电源输入取电综合 7 输出故障检测电路设计 电路原理图为： 输入故障检测电路的设计思路为，以并联二极管阴极电压作为检测电路的工作电压，检测并联二极管阳极电压的幅值。由两个TL431组成窗口比较器，当辅助电源电压幅值处于正常范围之内，Q5关断；当辅助电源电压处于异常范围时，故障信号变高上送DSP板。 艾默生网络能源有限公司文档编号版本密级机密共 页 辅助电源单板PCB布局及工艺方案项目名称：_ 项目编码：_ 拟 制：_日 期：_ 审 核：_日 期：_1 引用标准和资料TS-S0E0299001 PCB设计工艺规范2 一般要求2.1 满足电气性能要求。2.2 满足工艺结构及器件布局的合理性要求。2.3 满足安全标准规定要求。2.4 满