为了使耦合电容器充电线性,必须很好的选定谐振频率
fR。一般选定
fR?0.1fS,式中
fS——半桥变换器的开关频率(kHz)。
变压器设计参数计算
变压器尺寸选择要满足在工作频率下、温升在允许范围内、输出额定功率的要求。根据功率选定磁芯型号,其次确定磁感应强度的摆幅值。
找到铁心温升与损耗关系曲线,,可以按以下方法设计。
以最小电压值VS(min)下能提供额定输出功率为前提,在脉宽最大时计算出最少的原边线圈匝数。
?tVN??B?Apmppone?tV?2B?Aponopte 式中
Nmpp——磁密双摆工作时原边线圈最少匝数(匝)
Vs(V) ——原边线圈电压?Vp2ton ——导通时间??s?
?B ——导通期间磁感应强度的增量(mT)
Bopt——单相最佳磁感应强度摆幅(mT)
2Ae ——铁心最小面积(mm)
求出每匝电压系数,即
VNpmpp比值
计算副边绕组的匝数。输出电压应加上绕组和二极管压降,除以没匝电压系数即可求得副边绕组的匝数。
副边绕组匝数半匝是不合理的。除非用特别方法绕制,否则会导致变压器一边饱和。所以副边实际匝数可在计算值上浮或下浮取整匝数。如果下浮取整,则必须按比例减小原边的匝数,以保证输出电压符合要求,因为脉宽不能大于50%。原边匝数的减小会导致铁心磁密的增大,容易达到饱和。因此,副边线圈上浮取整较好。这时,原边匝数和最大磁通密度可以不变,只要减小脉宽就可以保证输出电压达到额定值。这样,当输出电压为最小值Vs(min)时,导通占空比小于50%,
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如果输出电压偏高,占空比更可小于50%。从而,可用控制线路把脉宽限定在一定的范围,形成的死区,有利于防止直通发生。
本次设计要求输出功率为120W,输出电压为24V,输出电流5A,开关频率100kHz,效率设为80%,允许温升限为40℃,计算本次设计的半桥变换器参数:
①输入功率
Ps?P?o?IVoo??120?150W 0.8②查阅磁心传送功率与尺寸(体积)各种形式关系图,得知,150W应选
RM14或EC41(FX3730)磁心
③从FX3730变压器在自然通风时总损耗与温升关系曲线图可知,允许温升
40℃,确定总损耗为2.6W,因最佳效率,确定铁损
2.6?1.3W 2④从《FX3730变压器在100℃以下,考虑磁滞和涡流损耗与总磁通的函数
关系图》可知,1.3W损耗对应的磁通在开关100kHz时为8?Wb
⑤因FX3730的
Ae中心磁极面积为106mm,得
22Bopt??A?8?Wb106mm?75.5mTe
⑥磁感应强度增量?B?2Bopt
?B?2?75.5?150.9mT?0.15T
⑦原边最少匝数
Nmpp依式计算。式中ton?0.5?1100?103?5?s
VVac?220V,电压范围为±20%考虑,则倍压整流电压Vs
s?220?0.8?1.3?1.9?434.7V
pone?tVN??B?Ampp?V?t2B?Asonopt?136匝
e⑧每匝电压系数
?434.7/2?1.60 136⑨副边绕组及二极管压降设为1V,故副边
V's?24?1?25V
副边绕组匝数NS?
V'S1.60?15.625匝,上浮,取16匝。根据情况,可计算上
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浮后对应原边匝数。
3.3输出滤波整流电路设计
3.3.1输出整流电路图
3.3.2 输出电感的设计
主输出和辅输出的输出电感都不允许进入不连续工作模式。不连续工作模式是从电感阶梯谐波电流的阶梯下降至零开始的,这种情况会在直流电流下降至斜坡幅值dI的一半时发生,于是
T?dI?2Idc?VLTon???V1Voon
LoLo当Vdc最小时,选择NS使V1最小时Ton不需要大于的Vo值。而VO?V1(2TonT) 则有
0.8T就可以输出所需2VoT ?Ton2V1选取Ns,使Vdc及相应V1最小时Ton为
0.8TVoTTon?2?2或V1?1.25Vo
V10.8T,于是 2及
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dI??1.25V?V??0.8T/2??2IooL 和 dcLo?0.05VoToI
dc如果最小电流Idc规定为额定电流Ion的1/10(通常情况),则
Lo?0.5VoTI
on以上L、Vo和T的单位分别为亨利、伏特和秒,Idc为最小输出电流,Iono为额定输出电流,单位均为安培。
经验算法一般选择输出滤波电感电流的脉动为最大输出电流的20%,这样本模块电源的输出滤波电感电流的脉动可选为IO?20%?1A,也就是当输出电流在IOmin?IO?10%?0.5A时应保证输出滤波电感电流连续,输出滤波电感可按下式计算:
Lf?VoVo[1?]2?(2fs)?IominVi/2K?VLF?VD
代入数据得:
Lf??VoVo[1?]2?(2fs)?IominVi/2K?VLF?VD2424[1?]32?(2?100?10)?0.5198/2?3.3?0.5?0.95 ?19.2uH
3.3.3 输出电容的计算
输出电容CO的选择应满足最大纹波电压的要求,输出纹波几乎完全由滤波电容的ESR(等效串联电阻RO)的大小来决定,而不是电容本身的大小来决定,纹波电压峰—峰值VR为
Vr?ROdI
式中,dI是所选的电感电流纹波的峰—峰值。
另外,对于铝电解电容器,在很大容值及额定电压范围内,其R?6?6OCO的乘
积基本不变。铝电解电容ROCO的范围是50?10~80?10。因此CO可选为
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CO?80?10?6R?80?10?6OVr/dI?80?10??dI? ??6Vr式中,CO的单位为法拉,dI的单位为安培,Vr的单位为伏特。 规定输出电压的最大纹波值为ΔV= 100 mV,则可由下式确定输出滤波电容的大小:
Cf?VoV 8L?(2f2[1?o]fs)??VVi/2K?VLF?VD
代入数据得:
CVoVof?8L?(2f2[1?V]fs)??Vi/2K?VLF?VD?248?1.92?105?(2?105)2?100?10?3[1?24198/2?3.3?0.5?0.95] ?6.25uF
3.3.4 整流输出二极管计算
UU02?0.9?240.9?26.67A 二极管的最大反向电压:
URM?22U2?22?26.67V?75.43V
二极管平均电流:
I1dVD?2I0?2.5A 二极管的电流有效值:
IDVD?I2?3.54A 二极管的额定电压:
UN?(2~3)?URM?150.86~226.29V
二极管的额定电流:
IN?(1.5~2)?IVD1.57?3.38~4.51A 选用6A1的二极管,,额定工作电流为6A,正向压降为0.95V。
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