开关电源-主电路设计

1、16.1 开关电源的主要技术指标及其分析开关电源的主要技术指标及其分析6.2 主电路设计主电路设计6.3 热设计和结构设计热设计和结构设计6.4 电磁兼容性设计电磁兼容性设计6.5 小结小结 第六章第六章 主电路设计主电路设计26.1 开关电源的主要技术指标及其分析开关电源的主要技术指标及其分析 开关电源的设计应从深入分析待设计的电源的技术指标开关电源的设计应从深入分析待设计的电源的技术指标开始。开关电源技术指标指出了该电源的实际使用要求，开始。开关电源技术指标指出了该电源的实际使用要求，设计工作应满足技术指标的要求为目的。设计工作应满足技术指标的要求为目的。 分析开关电源的各项主要技术指标的

2、含义及其同设计分析开关电源的各项主要技术指标的含义及其同设计的关系。的关系。 一.输入参数输入参数 二. 输出参数输出参数 三. 电磁兼容性能指标电磁兼容性能指标 四. 其他指标其他指标3o输入电压输入电压：目前开关电源流行采用国际通用电压：目前开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相交流范围，即单相交流85265V（100240V）。）。直流输入时情况复杂，范围在直流输入时情况复杂，范围在24600V之间都之间都有可能。有可能。o输入电压的指标通常包含额定值和变化范围两方输入电压的指标通常包含额定值和变化范围两方面内容。电压下限影响变压器变比设计，电压上面内容。电压下限影响变压器变比设计，电

3、压上限影响主电路元器件电压等级。电压范围过宽，限影响主电路元器件电压等级。电压范围过宽，设计裕量大而造成浪费。因此，输入电压的变化设计裕量大而造成浪费。因此，输入电压的变化范围应在满足实际要求的前提下尽量小。范围应在满足实际要求的前提下尽量小。一一. .输入参数：输入参数：输入电压、交流或直流、相数、频率、输入电压、交流或直流、相数、频率、输入电流、功率因数和谐波含量等输入电流、功率因数和谐波含量等4o输入频率输入频率：我国民用和工业用电频率为：我国民用和工业用电频率为50Hz。航空航天及船舶用的电源经常采用交流航空航天及船舶用的电源经常采用交流115V/400Hz输入（单相或三相）。输入（单

4、相或三相）。o输入相数输入相数：当开关电源功率为当开关电源功率为35kW时，可时，可以选单相输入，以降低器件的电压等级，降低以选单相输入，以降低器件的电压等级，降低成本；成本； 当功率大于当功率大于5kW时，应选三相输入，以避免时，应选三相输入，以避免引起电网三相间的不平衡，同时减小主电路电引起电网三相间的不平衡，同时减小主电路电流，以降低损耗。流，以降低损耗。5o输入电流输入电流：输入电流通常包含额定输入电流和输入电流通常包含额定输入电流和最大电流两项，是最大电流两项，是输入开关、接线端子、熔断输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元件的设计依据器和整流桥等元件的设计依据。o输入功率因数和谐波

5、输入功率因数和谐波：开关电源的输入谐波电开关电源的输入谐波电流和功率因数是一个重要指标，也是设计中的流和功率因数是一个重要指标，也是设计中的一个重点。但降低谐波电流和提高功率因数往一个重点。但降低谐波电流和提高功率因数往往需要付出电路复杂程度增加、成本上升、可往需要付出电路复杂程度增加、成本上升、可靠性下降的代价，因此应根据实际需要和有关靠性下降的代价，因此应根据实际需要和有关标准制定指标。标准制定指标。 6o单相单相PFC技术基本成熟，附加成本较低，输入功率技术基本成熟，附加成本较低，输入功率因数很容易达到因数很容易达到0.99以上，输入总谐波电流畸变以上，输入总谐波电流畸变率小于率小于5%

6、。o 三相三相PFC技术尚不成熟，单开关三相技术尚不成熟，单开关三相PFC技术，技术，功率因数只能达到功率因数只能达到0.95左右，且存在很多问题。左右，且存在很多问题。 采用无源采用无源PFC技术，功率因数只能达到技术，功率因数只能达到0.9左右。左右。 采用采用6开关开关PWM整流电路可以得到高品质的功率整流电路可以得到高品质的功率因数和低的电流谐波含量，但成本增加很多。因数和低的电流谐波含量，但成本增加很多。7o输出电压输出电压：通常给出额定值和调节范围两通常给出额定值和调节范围两项内容。输出电压上限关系到变压器设计项内容。输出电压上限关系到变压器设计中电压比的计算，因此在满足实际要求的

7、中电压比的计算，因此在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。下限的前提下，上限应尽量靠近额定点。下限的限制较宽松。限制较宽松。o输出电流输出电流：通常给出额定值和一定条件下通常给出额定值和一定条件下的过载倍数，有稳流要求的电源还会指定的过载倍数，有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空载，此时应调节范围。有的电源不允许空载，此时应指定电流下限。指定电流下限。二二. 输出参数：输出参数：输出功率、输出电输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳压精度、压、输出电流、纹波、稳压精度、稳流精度、效率和输出特性等稳流精度、效率和输出特性等8o稳压、稳流精度稳压、稳流精度：通常以正负误差带的

8、形式通常以正负误差带的形式给出。通常精度可以分为三个项目考核：给出。通常精度可以分为三个项目考核：输入电压调整率输入电压调整率；负载调整率负载调整率；时效偏时效偏差差。输入电压调整率：输入电压调整率：在输出满载的情况下，输入电压在输出满载的情况下，输入电压变化会引起输出电压波动，测试输入电压在全输入变化会引起输出电压波动，测试输入电压在全输入范围内变化时输出电压偏离输出整定电压的百分比，范围内变化时输出电压偏离输出整定电压的百分比，一般要求电压调整率不超过一般要求电压调整率不超过0.1%。 电压调整率电压调整率=(U- U0)/U0100式中：式中：U为为U1 和和U2中相对中相对U0变化较大

9、的值；变化较大的值；U1为输入电压下限对应的输出电压；为输入电压下限对应的输出电压；U2为输入电压上限对应的输出电压。为输入电压上限对应的输出电压。9o负载调整率：负载调整率：输入额定电压时，因变换负载输入额定电压时，因变换负载引起的输出电压波动不应超出规定的范围。引起的输出电压波动不应超出规定的范围。o时效偏差：时效偏差：输入电压和负载都一定的条件下，输入电压和负载都一定的条件下，随着时间的推移，输出电压波动情况。随着时间的推移，输出电压波动情况。负载调整率负载调整率=(U- U0)/U0100式中：式中：U为为U1 和和U2中相对中相对U0变化较大的值；变化较大的值；10o同精度密切相关的

10、因素同精度密切相关的因素：基准源精度、检测：基准源精度、检测元件精度、控制电路中运算放大器精度等。元件精度、控制电路中运算放大器精度等。11o电源的输出特性电源的输出特性：设计中必须根据输出特性的设计中必须根据输出特性的要求来确定主电路和控制电路的形式。要求来确定主电路和控制电路的形式。 很多场合都对电源提出了输出特性要求恒压、很多场合都对电源提出了输出特性要求恒压、恒流的输出特性要求。具备这种特性的电源，恒流的输出特性要求。具备这种特性的电源，在负载电流未达到限流值时，工作在恒压状态，在负载电流未达到限流值时，工作在恒压状态，随着负载的加重，电流达到限流值，输出电压随着负载的加重，电流达到限

11、流值，输出电压开始下降，电源处于恒流工作状态。开始下降，电源处于恒流工作状态。0OULULIOI图图6-1 恒压恒流输出特性恒压恒流输出特性12o纹波纹波：通常按频带可以分为三类：通常按频带可以分为三类： 高频噪声高频噪声，即图，即图6-2中频率远高于开关频率中频率远高于开关频率的尖刺；的尖刺； 开关频率纹波开关频率纹波，指开关频率附近的频率成分，指开关频率附近的频率成分即图即图6-2中锯齿状成分；中锯齿状成分； 低频纹波低频纹波，频率低于开关频率的成分，即低，频率低于开关频率的成分，即低频波动频波动。图图6-2 典型的纹波波形典型的纹波波形13 纹波系数纹波系数：取输出电压中交流成分总有效：

12、取输出电压中交流成分总有效值与直流成分的比值定义为纹波系数。这是最常值与直流成分的比值定义为纹波系数。这是最常用的量化方法，但不能反映幅值很高、有效值却用的量化方法，但不能反映幅值很高、有效值却很小的的尖峰噪声的含量及其影响，而且用常规很小的的尖峰噪声的含量及其影响，而且用常规仪表很难精确计量其总有效值。仪表很难精确计量其总有效值。 峰峰电压值峰峰电压值：该方法计量了纹波电压的峰峰该方法计量了纹波电压的峰峰值，但不能反映纹波有效值的大小，不够全面。值，但不能反映纹波有效值的大小，不够全面。 对纹波有多种对纹波有多种量化方法量化方法，常用的有：，常用的有：)(jA0Sf2图图6-3 纹波电压的频

13、谱纹波电压的频谱14 按三种频率成分分别计量幅值按三种频率成分分别计量幅值：该方法最：该方法最为直观、详细，也容易用示波器直接测量，为直观、详细，也容易用示波器直接测量，但对负载的干扰程度不容易界定。但对负载的干扰程度不容易界定。 衡重法衡重法：该方法强调纹波对工作在该方法强调纹波对工作在3003000Hz声音频带内设备的影响，声音频带内设备的影响，用于评价通信电源的性能指标。用于评价通信电源的性能指标。15o效率效率：是电源的重要指标，它通常定义为：是电源的重要指标，它通常定义为 式中，式中，Pi为输入有功功率；为输入有功功率；Po为输出有功功率。为输出有功功率。 通常给出在额定输入电压和额

14、定输出电压、额定输出电通常给出在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。流条件下的效率。 对于开关电源来说，效率提高意味损耗功率的下降，从对于开关电源来说，效率提高意味损耗功率的下降，从而降低电源温升，提高可靠性，节能的效果也很明显，而降低电源温升，提高可靠性，节能的效果也很明显，所以应尽量提高效率。所以应尽量提高效率。%100ioPP16开关电源的各种损耗开关电源的各种损耗17o一般来说，输出电压较高的电源效率高于输一般来说，输出电压较高的电源效率高于输出低电压的电源，这同变压器二次侧整流二出低电压的电源，这同变压器二次侧整流二极管的通态压降与输出电压的比值相关。通极管的通态压

15、降与输出电压的比值相关。通常高输出电压（常高输出电压（100V）电源效率可达）电源效率可达90%95%。18o电磁兼容性电磁兼容性（Electromagnetic CompatibilityEMC）包含两方面的内容：）包含两方面的内容： 电磁敏感性电磁敏感性（Electaonmagnetic SusceptibilityEMS） 电磁干扰电磁干扰（Elec-Tromagnetic InterferenceEMI） 分别指出电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰分别指出电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。通过制定标准，使每个装置能够抵抗干扰的强度远强度。通过制定标准，使每个装置能

16、够抵抗干扰的强度远远大于各自发出的干扰强度，则这些装置在一起工作时，远大于各自发出的干扰强度，则这些装置在一起工作时，相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小，从而实现实相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小，从而实现实现电磁兼容。现电磁兼容。三三. . 电磁兼容性能指标电磁兼容性能指标19o各国有关电磁兼容的标准很多，并且都形成了各国有关电磁兼容的标准很多，并且都形成了一定的体系。比较重要的有国际电工委员会一定的体系。比较重要的有国际电工委员会（International Electrotechnical CommissionIEC）的电磁兼容标准体系，）的电磁兼容标准体系，欧洲联盟标准体系（

17、欧洲联盟标准体系（EN）和美国联邦通信委员）和美国联邦通信委员会（会（Federal Commission of CommunicationFCC）标准等，我国也）标准等，我国也制定了相应的国家标准（制定了相应的国家标准（GB）。）。20o体积和重量指标体积和重量指标密切相关，小型化、轻量化正密切相关，小型化、轻量化正是电源装置的发展趋势。除合理的结构设计外，是电源装置的发展趋势。除合理的结构设计外，减少体积和重量的最有效途径是提高开关频率减少体积和重量的最有效途径是提高开关频率。o环境温度指标环境温度指标同热设计的关系很大，从散热的同热设计的关系很大，从散热的角度来看，环境温度上限是最恶劣的

18、工况。角度来看，环境温度上限是最恶劣的工况。 通常民用电源的环境温度范围在通常民用电源的环境温度范围在040，工，工业用电源为业用电源为 -1055，而军用及航空航天，而军用及航空航天及舰船用则可能达到及舰船用则可能达到-55105。四四. . 其他指标其他指标21o随着海拔的升高，大气越来越稀薄，容易击随着海拔的升高，大气越来越稀薄，容易击穿而形成放电。因此在高海拔（穿而形成放电。因此在高海拔（2000m以以上）使用的开关电源，在设计过程中应注意上）使用的开关电源，在设计过程中应注意加大加大绝缘的间距绝缘的间距。226.2.2 6.2.2 主电路设计主电路设计 主电路的设计通常在整个电源的设

19、计过程中主电路的设计通常在整个电源的设计过程中具有最为重要的地位，一旦完成设计，不宜轻易具有最为重要的地位，一旦完成设计，不宜轻易改变，因此设计时对各方面问题应考虑周全，避改变，因此设计时对各方面问题应考虑周全，避免返工，造成时间和经费的浪费。免返工，造成时间和经费的浪费。对主电路的设计说明：对主电路的设计说明： 一一. 主电路的选择主电路的选择 二二. 硬开关与软开关电路的选择硬开关与软开关电路的选择 三三. 正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主电路正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主电路 元器件参数的计算元器件参数的计算 四四. 反激型电路的主电路元器件参数的设计反激型电路的主电路元器

20、件参数的设计 23 一一. 主电路的选择主电路的选择根据电源功率的不同要求，宜采用不同的电路形式。根据电源功率的不同要求，宜采用不同的电路形式。 小功率电源（小功率电源（1100W）宜采用电路简单、成本低的）宜采用电路简单、成本低的反激型电路反激型电路； 电源功率在电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，应采用压质量恶劣、输出短路频繁时，应采用正激型电路正激型电路； 对于功率大于对于功率大于500W，工作条件较好的电源，则采用，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，较为合理

21、；如果对成本要求比较严，可以采用可以采用半桥型电路半桥型电路；如果功率很大，则应采用如果功率很大，则应采用全桥型电路全桥型电路；推挽型电路推挽型电路通通常用于输入电压很低、功率较大的场合常用于输入电压很低、功率较大的场合。24二二. . 硬开关与软开关电路的选择硬开关与软开关电路的选择 在设计中，通常需要综合考虑可靠性、成在设计中，通常需要综合考虑可靠性、成本、效率等多方面因素来确定是否采用软开关本、效率等多方面因素来确定是否采用软开关技术。技术。现阶段在一些情况下，采用硬开关电路现阶段在一些情况下，采用硬开关电路仍然是合理的选择仍然是合理的选择，而对效率、体积和重量的，而对效率、体积和重量的

22、要求非常高时，应根据实际情况，采用相应的要求非常高时，应根据实际情况，采用相应的软开关电路软开关电路。 随着市场对电源体积和重量越来越苛刻的随着市场对电源体积和重量越来越苛刻的要求，软开关电路在电源中的应用越来越广泛，要求，软开关电路在电源中的应用越来越广泛，因而因而从发展的角度来看，软开关是未来电源技从发展的角度来看，软开关是未来电源技术的主流术的主流。25o变压器是开关电源中的核心器件变压器是开关电源中的核心器件 电压比电压比kT ：电压比计算的原则是电路在最大占空比和最：电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到要求的上限，考低输入电压的条件下，输出电压能达

23、到要求的上限，考虑到电路中的压降，输出电压应留有裕量，即虑到电路中的压降，输出电压应留有裕量，即三三. . 正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主正激型、推挽型、半桥型和全桥型电路的主电路元器件参数的计算电路元器件参数的计算1. 变压器的设计变压器的设计UUDUkoiTmaxmaxmin式中，式中，Uimin为输入直流电压最小值，应选取输入电压下为输入直流电压最小值，应选取输入电压下限并注意考虑电压纹波；限并注意考虑电压纹波；Dmax为最大占空比；为最大占空比；Uomax为最为最高输出电压；高输出电压；UU为电路中的压降，应包含整流二极管压为电路中的压降，应包含整流二极管压降和电路中线路压降等

24、。降和电路中线路压降等。26 铁心的选取铁心的选取：计算出电压比后，可根据以下公式选：计算出电压比后，可根据以下公式选取合适的铁心：取合适的铁心：ccSTwekBdfPAA式中，式中，Ae为铁心磁路截面积；为铁心磁路截面积；Aw为铁心窗口面积；为铁心窗口面积；PT为变压为变压器传输的功率；器传输的功率；fs为开关频率；为开关频率；BB为铁心材料所允许的最大为铁心材料所允许的最大磁通密度的变化范围；磁通密度的变化范围；dc为变压器绕组导体的电流密度；为变压器绕组导体的电流密度；kc为绕组在铁心窗口中的填充因数。为绕组在铁心窗口中的填充因数。根据以上公式计算出铁心应具备的截面积根据以上公式计算出铁

25、心应具备的截面积窗口积（窗口积（AeAw）后，可以在生产厂家提供的产品手册中查找合适的铁心，使后，可以在生产厂家提供的产品手册中查找合适的铁心，使其形状和尺寸满足要求。其形状和尺寸满足要求。27 绕组匝数绕组匝数：选定铁心后，便可以计算绕组匝数。为了：选定铁心后，便可以计算绕组匝数。为了保证在任何条件下铁芯不饱和，设计时应按最大伏保证在任何条件下铁芯不饱和，设计时应按最大伏-秒面积计秒面积计算匝数。首先计算二次侧绕组匝数，然后根据电压比推算出算匝数。首先计算二次侧绕组匝数，然后根据电压比推算出一次绕组匝数。二次匝数计算公式为：一次绕组匝数。二次匝数计算公式为：式中，式中，SV为二次绕组承受的最

26、大伏为二次绕组承受的最大伏-秒面积。秒面积。 由于电路中电压的波形是方波，所以最大伏由于电路中电压的波形是方波，所以最大伏-秒面积的计秒面积的计算可以简化为电压和脉冲的乘积，因此二次绕组匝数的设计算可以简化为电压和脉冲的乘积，因此二次绕组匝数的设计公式可简化为公式可简化为：对正激型电路对正激型电路对全桥型、半桥型、推挽型电路对全桥型、半桥型、推挽型电路eVBASN2eSOBATUN2eSOBATUN2228 绕组导体截面绕组导体截面：根据流过每个绕组的电流值和预先：根据流过每个绕组的电流值和预先选定的电流密度，即可计算出绕组导体截面为选定的电流密度，即可计算出绕组导体截面为ccdIA 变压器设

27、计的其他问题变压器设计的其他问题：包括变压器励磁电感和漏：包括变压器励磁电感和漏感的估算，以及绕组结构的设计。感的估算，以及绕组结构的设计。 可以用变压器的等效电路来说明励可以用变压器的等效电路来说明励磁电感和漏感，一次绕组的励磁电感磁电感和漏感，一次绕组的励磁电感式中，式中， 为真空导磁率；为真空导磁率； 为铁心材料相对导磁为铁心材料相对导磁率；率； 为铁心截面；为铁心截面； 为一次绕组匝数；为一次绕组匝数； 为铁为铁心磁路长度。心磁路长度。lNALerm21010reA1Nl1sL2sL221MTmLkL图图6-6 变压器的变压器的T型等效电路型等效电路29 变压器的漏感与某一绕组产生的，

28、并仅同自身耦合的磁变压器的漏感与某一绕组产生的，并仅同自身耦合的磁链有关链有关，因此它同一次、二次绕组互相耦合的紧密程度密切，因此它同一次、二次绕组互相耦合的紧密程度密切相关，耦合不够紧，则漏感会增加。漏感会对电路工作带来相关，耦合不够紧，则漏感会增加。漏感会对电路工作带来负面影响，所以负面影响，所以变压器的设计应尽量减小漏感变压器的设计应尽量减小漏感。 减小漏感的办法主要是提高一次、二次绕组耦合的紧密减小漏感的办法主要是提高一次、二次绕组耦合的紧密程度。如采用间隔绕组等。程度。如采用间隔绕组等。 由于铁磁材料的相对磁导率由于铁磁材料的相对磁导率 很大，因此励磁电感通很大，因此励磁电感通常也较

29、大。如果铁心未夹紧，磁路中有气隙，则励磁电感常也较大。如果铁心未夹紧，磁路中有气隙，则励磁电感会急剧下降，励磁电流成倍增加，导致变压器性能严重恶会急剧下降，励磁电流成倍增加，导致变压器性能严重恶化。化。r30o输出滤波电路的作用是滤除二次侧整流电路输出的脉动输出滤波电路的作用是滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输出。开关电源中，直流中的交流成分，得到平滑的直流输出。开关电源中，通常采用一级通常采用一级LC滤波电路，当要求输出纹波很小时，滤波电路，当要求输出纹波很小时，也采用两级也采用两级LC滤波电路。滤波电路。2. 2. 输出滤波电路的设计输出滤波电路的设计 滤波电感

30、的设计滤波电感的设计 设计滤波电感应根据输出电压、输出电流和开关频设计滤波电感应根据输出电压、输出电流和开关频率，并应首先选定允许的电感电流的纹波值，计算电感率，并应首先选定允许的电感电流的纹波值，计算电感值，选定电感铁心。值，选定电感铁心。a) 单极单极LC滤波电路滤波电路b) 二级二级LC滤波电路滤波电路31o对于正激电路：对于正激电路：o对于全桥、半桥和推挽电路：对于全桥、半桥和推挽电路：式中，式中，L为滤波电感值，为滤波电感值，Uimax为输入电压最大值，为输入电压最大值，fs为开关频率，为开关频率，I为允许的电感电流最大纹为允许的电感电流最大纹波峰峰值。波峰峰值。IfkULsTi2m

31、axIfkULsTi4max32计算绕组匝数计算绕组匝数：计算气隙计算气隙： 然后根据电感电流和预先选定的电流密度，可以计算然后根据电感电流和预先选定的电流密度，可以计算出电感绕组的导体截面积。出电感绕组的导体截面积。ccwedkBILIAAmaxmaxmaxeLABILNmaxmaxLNAlLe20Imax为电感电流最大有效值，为电感电流最大有效值， Imax为电感电流最大峰值。为电感电流最大峰值。33 滤波电容的确定滤波电容的确定 然后，根据电解电容的手册选择合适的电容。然后，根据电解电容的手册选择合适的电容。 假设电感电流最大纹波有效值为假设电感电流最大纹波有效值为 ，而滤波电，而滤波电

32、容的阻抗为容的阻抗为22)1(CLRxESESc)22(I 根据预先选定的输出电压最大纹波有效值，计算滤根据预先选定的输出电压最大纹波有效值，计算滤波电容的阻抗：波电容的阻抗：IUxc2234 ！由于开关电源中输出滤波器处理由于开关电源中输出滤波器处理的功率很大，因此的功率很大，因此滤波电感的电流容量应留滤波电感的电流容量应留有足够的裕量有足够的裕量，以免在输出大电流时饱和，以免在输出大电流时饱和，滤波电容须采用高频电解电容，以提高滤波滤波电容须采用高频电解电容，以提高滤波效果、减少发热，往往采用效果、减少发热，往往采用多个小电容并联，多个小电容并联，以降低等效串联电感和等效串联电阻以降低等效

33、串联电感和等效串联电阻。35开关器件及二极管的设计应遵循以下开关器件及二极管的设计应遵循以下两个原则两个原则：o 器件工作时的电压和电流都不应超出其安全工器件工作时的电压和电流都不应超出其安全工作区（作区（SOA）o 工作时的结温不能超过最大结温工作时的结温不能超过最大结温o在实际的设计中，应该计算出器件工作时的电压和在实际的设计中，应该计算出器件工作时的电压和电流峰值，并根据安全工作区（电流峰值，并根据安全工作区（SOA）来初步选）来初步选择器件的电压和电流容量，然后根据估算的器件发择器件的电压和电流容量，然后根据估算的器件发热功率、最高环境温度和热阻等参数来估算工作时热功率、最高环境温度和

34、热阻等参数来估算工作时的结温，并应留有裕量。的结温，并应留有裕量。3.3.开关器件及二极管的设计开关器件及二极管的设计36 变压器二次侧整流二极管的设计变压器二次侧整流二极管的设计流过二极管的峰值电流为流过二极管的峰值电流为流过二极管的最大平均电流为流过二极管的最大平均电流为 所选取的二极管允许的峰值电流和平均电流应大于上述值。所选取的二极管允许的峰值电流和平均电流应大于上述值。IIIoD21maxmaxooDIIDImaxmax（正激型电路整流二极管）（正激型电路整流二极管）（正激型电路续流二极管）（正激型电路续流二极管）maxmax21oDII （半桥型、全桥型、推挽型电路）（半桥型、全桥

35、型、推挽型电路）37 二极管的通态损耗二极管的通态损耗为为式中，式中， 取二极管在流过峰值电流时的通态压降。取二极管在流过峰值电流时的通态压降。DDDonUIPmaxDU 二极管的开关损耗二极管的开关损耗为为式中，式中， 和和 为每次开通和关断损耗的开关能量；为每次开通和关断损耗的开关能量； 为电为电路的开关频率。路的开关频率。soffonDSfeeP)(oneoffesf38 二极管的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出二极管的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的上限，这是选取二极管及其散热器的依据。的上限，这是选取二极管及其散热器的依据。 在每个二极管单独安装散热器的条件下，在每个二

36、极管单独安装散热器的条件下，根据二极管根据二极管的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环境温的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环境温度的上限度的上限，计算出允许的散热器热阻的上限为，计算出允许的散热器热阻的上限为 式中，式中， 为二极管的结壳热阻；为二极管的结壳热阻； 为散热器的热阻；为散热器的热阻； 为二极管允许的最高结温；为二极管允许的最高结温； 为技术要求中环境温度的上为技术要求中环境温度的上限。限。CthJRDSDonAMJMAthCCthJPPTTRRAthCRJMTAMT39变压器一次侧开关器件的设计变压器一次侧开关器件的设计流过开关器件的峰值电流为流过开关器件的峰

37、值电流为流过开关器件的最大平均电流为流过开关器件的最大平均电流为 所选开关器件的允许峰值电流和平均电流应大于上述值。所选开关器件的允许峰值电流和平均电流应大于上述值。TOSkIII)21(maxmaxToSkIDImaxmaxmaxToSkIDImaxmaxmax21（正激型电路）（正激型电路）（半桥型、全桥型、推挽型电路）（半桥型、全桥型、推挽型电路）40 对于对于MOSFET等单极型器件，应采用其通态电阻等单极型器件，应采用其通态电阻和流过其沟道的电流有效值计算通态损耗；对于和流过其沟道的电流有效值计算通态损耗；对于IGBT、GTR等双极型器件，应按饱和压降乘以通态平均电流等双极型器件，应

38、按饱和压降乘以通态平均电流计算通态损耗。计算通态损耗。 根据开关器件的平均电流估算其通态损耗为根据开关器件的平均电流估算其通态损耗为SSSonUIPmax 式中，式中， 为开关器件在流过峰值电流时的通态压降。为开关器件在流过峰值电流时的通态压降。 SU41 在每个开关器件单独安装散热器的条件下，根据开关在每个开关器件单独安装散热器的条件下，根据开关器件的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环器件的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环境温度的上限，计算出允许的散热器热阻的上限为境温度的上限，计算出允许的散热器热阻的上限为SSSonAMJMAthCCthJPPTTRR 开关器件的结壳

39、热阻加散热器的热阻不能超过上式给开关器件的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的上限，这是选取开关器件及其散热器的依据。出的上限，这是选取开关器件及其散热器的依据。 开关器件的开关损耗为开关器件的开关损耗为soffonSSfeeP)(42四四. . 反激型电路的主电路元器件参数的确定反激型电路的主电路元器件参数的确定 1. 变压器的设计变压器的设计 变压器的变比变压器的变比式中，式中， 是输入直流电压最大值；是输入直流电压最大值； 是输出电压；是输出电压； 是开关工作时允许的最高电压。是开关工作时允许的最高电压。oisTUUUkmaxmaxmaxiUmaxsUoU 当输出电流最大、输入直流电

40、压为最小时开关的占空当输出电流最大、输入直流电压为最小时开关的占空比达到最大，假设这时反激型电路刚好处于电流临界连续比达到最大，假设这时反激型电路刚好处于电流临界连续工作模式，则可计算出电路工作时的最大占空比工作模式，则可计算出电路工作时的最大占空比minmaxioToTUUkUkD43此时变压器一次电流峰值此时变压器一次电流峰值并可计算出变压器一次电感值并可计算出变压器一次电感值)1 (2maxDkIIToosiTsiIfUkDDIfUDL2)1 (maxmaxmaxmax1maxmax144计算绕组的匝数：计算绕组的匝数：计算气隙：计算气隙：计算出计算出 后，即可根据如下公式设计变压器：后

41、，即可根据如下公式设计变压器：1LccwedkBILAAmax2max12eABILNmaxmax11TkNN121210LNAle452. 2. 开关器件的设计开关器件的设计 开关器件的峰值电流为开关器件的峰值电流为 ，平均值为，平均值为max1I)1 (2maxmaxmaxmax1DkIDDIIToS 所选取的开关器件允许的峰值电流所选取的开关器件允许的峰值电流 应大于应大于 ，平均电流应大于上式中的平均电流应大于上式中的IS。max1ISI 根据开关器件的平均电流可以估算其通态损耗为根据开关器件的平均电流可以估算其通态损耗为式中，式中，US为开关器件中流过峰值电流时的通态压降。对于为开关

42、器件中流过峰值电流时的通态压降。对于单极型器件，应采用其通态电阻和流过其电流有效值计算单极型器件，应采用其通态电阻和流过其电流有效值计算通态损耗。通态损耗。SSSonUIPmax46 开关器件的开关损耗为开关器件的开关损耗为 在每个开关器件单独安装散热器的条件下，根据开关在每个开关器件单独安装散热器的条件下，根据开关器件的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环器件的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环境温度的上限，计算出允许的散热器热阻的上限为境温度的上限，计算出允许的散热器热阻的上限为SSSonAMJMAthCCthJPPTTRR 开关器件的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给

43、开关器件的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的上限，这是选取开关器件及其散热器的依据。出的上限，这是选取开关器件及其散热器的依据。soffonSSfeeP)(473. 3. 反激型电路输出整流二极管的设计反激型电路输出整流二极管的设计 根据二极管的平均电流估算其通态损耗为根据二极管的平均电流估算其通态损耗为二极管的开关损耗为二极管的开关损耗为 根据二极管的损耗功率即发热功率和器件的结壳热阻和散热根据二极管的损耗功率即发热功率和器件的结壳热阻和散热器的热阻可得器的热阻可得 二极管的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的二极管的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的上限，这是选取二极管及其

44、散热器的依据。上限，这是选取二极管及其散热器的依据。DSDonAMJMAthCCthJPPTTRRsoffonDSfeeP)(DDDonUIP 二极管的峰值电流为二极管的峰值电流为 ，平均值为，平均值为max1IkToDII 所选取的二极管允许的峰值电流应大于所选取的二极管允许的峰值电流应大于 ，平均电流，平均电流应大于上式中的应大于上式中的 。max1IkTDI48v 主电路设计实例主电路设计实例 技术要求：技术要求： 输入电压输入电压： 交流三相交流三相380 10%V，50Hz。 输出电压输出电压： 额定直流额定直流220V，调节范围，调节范围160280V。 输出电流输出电流： 最大最

45、大10A。 输出纹波输出纹波： 纹波系数不大于纹波系数不大于0.5%。 工作温度工作温度： 040。 49（1）主电路的选型）主电路的选型o最大输出功率为最大输出功率为10280W=2800W，属于，属于功率较大的开关电源，因此应选取全桥型电路；功率较大的开关电源，因此应选取全桥型电路；o输出电压最高为输出电压最高为280V，考虑到二极管的耐压，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。变压器二次侧应采用全桥型整流电路。o为了简化设计过程，以便于理解，采用硬开关为了简化设计过程，以便于理解，采用硬开关电路。电路。主电路设计主电路设计 50 （2）变压器的设计）变压器的设计 电压比电

46、压比 ：UUDUkoiTmaxmaxmin 铁心的选取铁心的选取： 首先按下式计算铁心截面积首先按下式计算铁心截面积-窗口面积的积窗口面积的积 ccSTwekBdfPAA 本例中，本例中， 取输入电压下限时的整流电压，并减去取输入电压下限时的整流电压，并减去该电压波动的一半，即该电压波动的一半，即440V。 同控制电路有关，此处同控制电路有关，此处选为选为0.9。 选为最高输出电压选为最高输出电压280V， 选选2V。将以上。将以上数据代入上式，可得数据代入上式，可得miniUmaxDmaxoU4 . 1TkU51其中其中 取取2800W，开关频率，开关频率 取取50kHz，铁心材料选为，铁心

47、材料选为铁氧体，其中铁氧体，其中 取取0.2T，导体电流密度，导体电流密度 选选 ， 窗口填充因数窗口填充因数 选取选取0.5。将这些数据代入上式，得。将这些数据代入上式，得 按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册，可以选择铁心按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册，可以选择铁心型号为型号为EE65，其铁心截面积为，其铁心截面积为 ，窗口面积，窗口面积为为 ，铁心截面积窗口面积的积为，铁心截面积窗口面积的积为 ，可以满足要求。可以满足要求。 绕组匝数绕组匝数： 选定铁心后，按下式计算绕组匝数选定铁心后，按下式计算绕组匝数可得可得一次绕组匝数可由二次绕组匝数和电压比推算得到，为一次绕组匝数可由二次绕组匝数和

48、电压比推算得到，为TPSfBcd24mmAck47104 . 1mAAwe24108 . 3m241089. 4m471089. 1meVBASN2匝372N匝521NSoVTUSmax52 绕组导体截面绕组导体截面：根据下式可得二次绕组的导体截面积为：根据下式可得二次绕组的导体截面积为根据电压比算出一次绕组导体的截面积为根据电压比算出一次绕组导体的截面积为ccdIA 22625 . 2105 . 2mmmAc218 . 1 mmAc（3）输出滤波电路的设计）输出滤波电路的设计 53 滤波电感的设计滤波电感的设计：计算电感值：计算电感值 IfkULsTi4max其中输入电压最大值其中输入电压最

49、大值 取取564V，开关频率，开关频率 为为50kHz，允许的电感电流最大纹波峰峰值允许的电感电流最大纹波峰峰值 取最大输出电流的取最大输出电流的20%，即即2A，计算得，计算得maxiUSfImHL0 . 1根据电感值和流过电感的电流选定电感铁心，代入数据得根据电感值和流过电感的电流选定电感铁心，代入数据得铁心磁路截面积与窗口面积的乘积铁心磁路截面积与窗口面积的乘积 应满足应满足 按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册，可以铁心型号按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册，可以铁心型号为为EE65，其铁心截面积，其铁心截面积-窗口面积的积为窗口面积的积为 ，可，可以满足要求。以满足要求。weAA47108

50、3. 1mAAwe471086. 1m54 再计算绕组匝数为再计算绕组匝数为 依据公式计算气隙，其中依据公式计算气隙，其中 为真空磁导率，其数值为真空磁导率，其数值为为 ，得，得 然后根据电感电流和预先选定的电流密度，可以计算然后根据电感电流和预先选定的电流密度，可以计算出电感绕组的导体截面为出电感绕组的导体截面为匝68LN0m1047Hmmml5 . 3105 . 3325 . 2 mmAcL55 滤波电容的确定滤波电容的确定 假设电感电流最大纹波有效值为假设电感电流最大纹波有效值为 ，输，输出电压纹波有效值取为输出电压下限值的出电压纹波有效值取为输出电压下限值的0.5% ，即即 ，可以计算

51、出滤波电容的阻抗，可以计算出滤波电容的阻抗为为 AI7 . 022VVU8 . 0%5 . 01601 . 1cx 一种标称电容量为一种标称电容量为 、耐压为、耐压为400V的电解电容器，的电解电容器，其串联等效电阻约为其串联等效电阻约为 ，串联等效电感约为，串联等效电感约为 。纹波。纹波电流频率为电流频率为100kHz时，该电容的等效阻抗为时，该电容的等效阻抗为 ，故采用，故采用该型号电容一个即可。该型号电容一个即可。 F4706 . 05 . 0H5 . 056（4）开关器件及二极管的设计）开关器件及二极管的设计 变压器二次侧整流二极管的设计变压器二次侧整流二极管的设计 二极管承受得反向电

52、压最大值为整流电压最大值除以变二极管承受得反向电压最大值为整流电压最大值除以变压器的电压比，取压器的电压比，取422V，考虑到二极管关断时会有过电压，考虑到二极管关断时会有过电压，并考虑到输出电压的浪涌等因素，因此选取二极管的耐压不并考虑到输出电压的浪涌等因素，因此选取二极管的耐压不低于低于600V。 流过二极管的峰值电流为流过二极管的峰值电流为 最大平均电流为最大平均电流为 所选取的二极管允许的峰值电流应大于所选取的二极管允许的峰值电流应大于11A，平均电流，平均电流应大于应大于5A。AID11maxAID5maxIIIoD21maxmaxmaxmax21oDII57 根据二极管的平均电流估

53、算其通态损耗，其中二极管根据二极管的平均电流估算其通态损耗，其中二极管通态压降根据有关产品手册取通态压降根据有关产品手册取2V，则，则 二极管的开关损耗根据经验，按通态损耗的二极管的开关损耗根据经验，按通态损耗的1.52倍估倍估算，即算，即 根据二极管的损耗功率（即发热功率）和器件的结温根据二极管的损耗功率（即发热功率）和器件的结温上限以及环境温度的上限可以计算出允许的散热热阻的上上限以及环境温度的上限可以计算出允许的散热热阻的上限，其中环境温度上限为限，其中环境温度上限为40，结温上限取，结温上限取120，得，得WPDon10WPDS20WKRRAthCCthJ/6 . 258o二极管的结壳

54、热阻加散热器热阻不能超过二极管的结壳热阻加散热器热阻不能超过2.6K/W，这是选取二极管及其散热器的依据。这是选取二极管及其散热器的依据。o根据快速恢复二极管生产厂家提供的手册，选择型号为根据快速恢复二极管生产厂家提供的手册，选择型号为DSEI 3006A的二极管，其反向耐压为的二极管，其反向耐压为600V，正，正向电流为向电流为37A，结壳热阻为，结壳热阻为1K/W，管壳与散热器，管壳与散热器的接触电阻典型值为的接触电阻典型值为0.25K/W。散热器台面到环境。散热器台面到环境的热阻应小于的热阻应小于1.35K/W。如果。如果4个二极管安装在同一个二极管安装在同一散热器上，并使用了绝缘垫，则

55、应考虑绝缘垫的热阻，散热器上，并使用了绝缘垫，则应考虑绝缘垫的热阻，并且散热器热阻应按并且散热器热阻应按1个二极管计算值的个二极管计算值的1/4选取。选取。59 开关器件的设计开关器件的设计 开关器件选取电力开关器件选取电力MOSFET，其耐压为输出电压整流，其耐压为输出电压整流后的峰值后的峰值591V，考虑到关断时的过电压以及输入电压的浪，考虑到关断时的过电压以及输入电压的浪涌，开关器件的耐压取涌，开关器件的耐压取800V以上。以上。 流过开关器件的峰值电流为流过开关器件的峰值电流为 最大平均电流为最大平均电流为 所选开关器件的允许峰值电流和平均电流应大于上述值。所选开关器件的允许峰值电流和

56、平均电流应大于上述值。AAIS8 . 74 . 1/11maxAIS2 . 3maxToSkIDImaxmaxmax2160 电力电力MOSFET的通态损耗用开关电流峰值的的通态损耗用开关电流峰值的 来估来估算，即开关器件的电流有效值为算，即开关器件的电流有效值为 ，则开关，则开关器件的通态损耗为器件的通态损耗为21AA5 . 528 . 7WRIPDsonSSon15.182max式中，式中， 为开关器件电流有效值，即为为开关器件电流有效值，即为5.5A， 为开关器件通态电阻，根据手册选取为为开关器件通态电阻，根据手册选取为 。maxSIDsonR6 . 061o开关器件的开关损耗可以按通态

57、损耗的开关器件的开关损耗可以按通态损耗的11.5倍估算，得倍估算，得o计算出允许的散热热阻的上限，其中器件的结计算出允许的散热热阻的上限，其中器件的结温最大值温最大值 取取120，环境温度上限，环境温度上限 为为40，得，得 WPSS2 .27JMTAMTWKRRAthCCthJ/76. 1 在电力在电力MOSFET生产生产 厂家提供的手册中，查到型号厂家提供的手册中，查到型号为为IXFH15N80的器件，其耐压为的器件，其耐压为800V，电流为，电流为15A，通态，通态电阻电阻0.6，结壳热阻为，结壳热阻为0.7K/W，其管壳与散热器的接触，其管壳与散热器的接触热阻典型值为热阻典型值为0.5

58、K/W，这样每个，这样每个MOSFET所需散热器的热所需散热器的热阻应小于阻应小于1.25K/W。62主电路参数设计图主电路参数设计图VF 400/470IXFH15N804800V / 15ADSEI30-064 600V / 30A1.0mH / 11A52 : 37636.3 热设计和结构设计热设计和结构设计6.3.1 开关器件和二极管的热设计开关器件和二极管的热设计 1. 开关管器件的传热过程开关管器件的传热过程 开关器件工作时，在管芯中产生热量，开关器件工作时，在管芯中产生热量，通过管壳和散热器散发到空气中（水冷方通过管壳和散热器散发到空气中（水冷方式时是水中），其中包含管芯式时是水

59、中），其中包含管芯管壳、管管壳、管壳壳散热器台面、散热器台面散热器台面、散热器台面散热器散散热器散热面、散热器散热面热面、散热器散热面环境等相串联的多环境等相串联的多个传热过程。从散热的角度，可简化为管个传热过程。从散热的角度，可简化为管芯芯散热器和散热器散热器和散热器环境这两个过程。环境这两个过程。管芯管芯管壳管壳散热器散热器环境环境CthJRAthCRJTATthPCT 管芯到环境的传热过程如图。温差、管芯到环境的传热过程如图。温差、热阻和发热功率间的关系为热阻和发热功率间的关系为thAthCCthJAJPRRTT)(64o通常开关器件管芯的极限温度通常开关器件管芯的极限温度 为为1251

60、50 ，环境温度，环境温度 的范围在设的范围在设计任务书中通常都有规定，工业用电源一般计任务书中通常都有规定，工业用电源一般 为为40-55。 maxJTATmaxAT 热设计的目的是在热设计的目的是在 和和 基本基本确定的条件下，选择合适的热阻确定的条件下，选择合适的热阻 和和 ，使工作时管芯的温度低于最大允，使工作时管芯的温度低于最大允许的结温。许的结温。 thP)(maxmaxAJTTCthJRAthCR652. 结结壳热阻壳热阻 的选择原则的选择原则CthJRq 电流容量较大的器件通常具有较小的热阻，而电流容量较大的器件通常具有较小的热阻，而且通态压降也低，使得发热功率降低，有利于降且