主电路设计(开关电源).ppt

第7章主电路设计 内容 主要技术指标 主电路的选型 元器件参数的计算 热设计和结构设计 输入回路的设计 电磁兼容技术与可靠性设计目标 开关电源电路的基本设计思想和设计方法 7 1主要技术指标及其分析 7 1 1输入参数输入电压 交流 国内 国际标准 国际通用电压范围 直流 额定值和变化范围 输入频率 民用 工业为50Hz 航空 航天及船舶为400Hz 输入相数 单相 三相 与功率有关 输入电流 额定输入电流和最大电流 输入功率因数和谐波 标准规定 采取措施 7 1 2输出参数 输出电压 额定值和调节范围 输出电流 额定值 过载倍数 调节范围 电流下限 稳压 稳流精度 正负误差带 输出特性 恒压恒流 纹波 类型 高频噪声 开关频率纹波 低频纹波 量化方法 纹波系数 峰峰电压值 按三种频率成分分别计量幅值 衡重法 效率 额定条件下的输入有功功率和输出功率之比 7 1 3电磁兼容性能指标 电磁兼容性 电磁敏感性和电磁干扰 电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度 各国有关电磁兼容的标准很多 开关电源产品一般用通用标准 IEC61000 4和GB T17626系列 7 1 4其他指标体积和重量 减小体积和重量的最有效途径是提高开关频率环境温度 民用0 40 工业用 10 50 军用 航空航天 舰船用 55 105 海拔高度 加大绝缘的间距 7 2主电路设计 7 2 1主电路的选型反激型电路 功率小于100W的电源正激型电路 100W以上功率 且工作环境干扰很大 输入电压质量恶劣 输出短路频繁 半桥型电路 功率大于500W 工作条件较好 严格限制成本 全桥型电路 功率很大 工作条件较好 推挽型电路 输入电压很低 功率较大 7 2 2硬开关与软开关电路的选择 一般情况下采用硬开关电路 对效率 体积和重量的要求非常高时 可以采用相应的软开关电路 软开关是未来电源技术的主流 7 2 3正激型 推挽型 半桥型和全桥型电路的主电路元器件参数的计算 1 变压器的设计设计的参数 电压比 铁心的形式和尺寸 各绕组匝数 导体截面积和绕组结构等 依据参数 工作电压 工作电流和工作频率 1 电压比kT 最大占空比和最低输入电压下 输出电压达到上限 考虑电路的压降 输出电压的裕量 2 铁心的选取 AP法 计算出Ap 在厂家的产品手册中选择合适的铁心型号 使其形状和尺寸满足要求 3 绕组匝数通常先计算二次匝数SV为绕组承受的最大伏 秒面积其计算可简化为电压和脉冲宽度的乘积不同的电路SV不同 正激 半桥 全桥 推挽 4 绕组导体截面 根据流过绕组的电流值和预先选定的电流密度 即可计算出 5 变压器设计的其他问题 变压器励磁电感和漏感的估算 2 输出滤波电路的设计 滤波电路 单级LC滤波电路 二级LC滤波电路 1 滤波电感的设计确定电感量 由输出电压 电流和开关频率 以及电感电流最大纹波值决定 正激电路 半桥 全桥 推挽电路 确定电感铁芯 AP法确定铁芯计算绕组匝数 计算气隙 计算电感绕组的导体截面积 2 滤波电容的确定 最大纹波有效值为 输出电压最大纹波有效值 滤波电容的阻抗 根据产品手册确定滤波电容 3 开关器件及二极管的设计 遵循两个原则 电压和电流都不应超出安全工作区 SOA 结温不能超过最大结温 设计过程 计算出器件工作时的电压和电流峰值 根据SOA初步选择器件的电压和电流的大小 估算的器件发热功率 热阻 选择散热器 留有裕量 变压器二次侧整流二极管的设计 二极管的峰值电流二极管的最大平均电流二极管的通态损耗二极管的开关损耗散热热阻 变压器一次侧开关器件的设计 开关器件的峰值电流开关器件的最大平均电流开关器件的通态损耗开关器件的开关损耗散热热阻 4 主电路设计实例 技术要求 输入电压 交流三相380 10 V 50Hz 输出电压 额定直流220V 调节范围160 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 1 主电路的选型 根据功率选择全桥型电路 根据输出电压 变压器二次侧应采用全桥型整流电路 2 变压器的设计电压比kT 输入侧最小整流电压 最高占空比 最高输出电压 二次压降的计算 kT 1 4铁心的选取 开关频率 铁芯材料 B 导体电流密度 窗口填充因数的确定 选择铁心型号为EE65绕组匝数和截面积 根据电路确定最大伏 秒面积 B 铁心截面积 计算N2 37匝 Nl 52匝根据电流值和选定的电流密度确定导体的截面积 Ac2 2 5mm2 Acl 1 8mm2 3 输出滤波电路的设计 滤波电感的设计 电感量计算 确定输出电压最大值 开关频率 允许的电感电流最大纹波峰峰值 L 0 7mH铁芯设计 确定电感值 电流最大值 电流最大峰值 磁通密度最大值 电流密度 填充系数 铁芯材料 EE55B 铁心截面积为3 57 10 4m2 窗口面积为3 69 10 4m2计算绕组匝数 确定电感值 电流最大峰值 磁通密度最大值 铁心截面积 NL 72匝计算气隙 确定铁心截面积 绕组匝数 电感值 l 3 3mm 2计算绕组的导体截面 确定电感电流和电流密度 AcL 2 5mm2滤波电容的确定 由电感电流最大纹波有效值 输出电压最大纹波有效值确定容抗xc 1 1 根据产品手册选择满足条件的电容 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 电压值 由一次侧最大整流电压 变比 过电压 浪涌确定 不小于600V 电流值 峰值电流11A 最大平均电流5A 考虑裕量额定电流大于10A 损耗 通态损耗10W 开关损耗20W散热热阻 由损耗功率 结温和环境温度确定 小于2 6K W根据产品手册 确定型号 2 开关器件的设计 器件类型 电力MOSFET电压值 整流电压峰值 过电压 浪涌确定 不小于800V电流值 允许峰值电流大于7 8A 平均电流大于3 2A损耗 通态损耗18 15W 开关损耗27 2W散热热阻 由损耗功率 结温和环境温度确定 小于2 2K W根据产品手册 确定型号 7 2 4反激型电路的主电路元器件参数的确定 1 变压器的设计电压比 最大占空比 临界时 变压器一次电流峰值 变压器一次电感值 根据公式设计变压器 Ap法绕组的匝数 气隙 2 开关器件的设计 峰值电流 Ip1max平均值 通态损耗 开关损耗 散热热阻 输出整流二极管设计 峰值电流 kTIp1max平均值 ID Io通态损耗 开关损耗 散热热阻 7 3热设计和结构设计 7 3 1开关器件和二极管的热设计1 开关器件的传热过程管芯的热量 管芯 管壳 散热器台面 散热器散热面 空气环境温差 热阻和发热功率间的关系2 结 壳热阻RthJ C的选择原则电流容量大 成本高 并联或电路多重化 成本高 均流3 散热器热阻RthC A的设计原则增大散热面积 体积 重量和成本 强制风冷 成本 可靠性和噪声 7 3 2变压器和电抗器的热设计 损耗 散热 铁心和绕组的温度上升 铁心材料特性 绕组绝缘材料特性改变 1 铁损 磁滞损耗和涡流损耗设计方法 在给定工作频率 最大工作磁通密度下 查单位重量或单位体积的损耗功率值 乘以磁心的重量或体积 2 铜损 绕组电阻的损耗温升 7 3 3机箱结构的设计 考虑因素 机械强度 重量 散热 屏蔽 美观 标准化和装配 调试 维修是否方便等 7 4开关电源输入回路的设计 1 输入回路的设计输入回路结构 电容输入型 全波整流 设计内容 电容器C1 电容量 纹波 寿命 整流桥 电流 电压 功率 输出电压范围 电容器C1 经验公式C1 400 600 Idc mF 输出电压范围 与输入电压 负载 电源侧的电阻有关 电容并联型整流电路电压系数 整流器的电流有效值 峰值 纹波电压 电流 纹波电压 电源频率下的纹波电流 开关频率下的纹波电流 纹波电流 电容器寿命 整流器功耗Prf 全波整流桥额定电压 2 冲击电流抑制回路的设计 产生的原因 电容输入型回路 瞬间对电容器充电 危害 保护动作 设备过热 损坏等 串联电阻 抑制在交流输入电流Iac的5倍以下 7 5开关电源的电磁兼容技术与可靠性设计 7 5 1开关电源的电磁兼容技术电磁兼容技术 一门新兴的跨学科的综合性应用学科 研究范围几乎涉及所有现代化工业领域 研究的热点 电磁干扰源的特性及其传输特性 电磁干扰的危害效应 电磁干扰的抑制技术 电磁频谱的利用和管理 电磁兼容性标准与规范 电磁兼容性的测量与试验技术 电磁泄漏与静电放电等 电磁兼容 EMC 指设备 分系统 系统 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态 电磁兼容技术是与管理并重的实用工程学 制定标准和规范电磁兼容三要素 干扰源 骚扰源 耦合通路和敏感体 7 5 2开关电源的电磁兼容性 耦合通道 共阻抗耦合 线间耦合 电场耦合 磁场耦合及电磁波耦合 干扰源 内部的 电压 电流方波 器件高频开关过程 二极管 开关电源的复杂性 7 5 3电磁兼容性研究及解决方法 研究方法 通常实验 测试 分析研究 从三个方面解决问题 1 减小搔扰源产生的搔扰信号 2 切断搔扰信号的传播途径 3 增强受搔扰体的抗搔扰能力 具体方法 滤波电路 改善APFC性能 减小电流电压的变化率 软开关 屏蔽 改善缝隙泄露 接地处理 MOV 气体放电管 TVS管 改变电距离 合理设计PCB板 接地 7 5 4开关电源的噪声 开关电源噪声 内部元件形成的干扰 外界因素影响使开关电源产生的干扰 1 内部干扰源电流高次谐波干扰 整流过程尖峰电压干扰 开关管 高频变压器 整流二极管 电容 电感器和导线 SPWM逆变电源噪声抑制措施 正确选择半导体器件 变压器铁芯材料和电路中屏蔽 滤波 接地等 2 外部干扰源 电源干扰 共模干扰或差模干扰雷电干扰 直击雷 感应雷抑制措施 滤波器 MOV 放电管等 7 5 5开关电源的干扰途径与耦合机制 外部的 l