24v5a半橋式直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)_課程設(shè)計(jì)報(bào)告(編輯修改稿)
2024-10-01 17:33 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 極管最大反向電壓 Urm = U2 = 在考慮安全裕量的情況下，二極管額定電壓 ??? rmN UU )3~2( ～ 二極管額定電流?? )2~( vdN II ～ 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選用 1N4004/A 型號(hào)的整流二極管，最高反向工作電壓為400V，額定工作電流為 。 濾波電容計(jì)算 因?yàn)闃蚴诫娐氛骱蟮碾妷菏敲}動(dòng)電壓，需要濾波。 根據(jù) UO = U2，可知電容 C 的取值滿(mǎn)足2)5~3( TCR L ???，IUOOL = 150? 濾波電容的容量為?????????? RLTC 2)5~3( 200～ 333F? 4 變壓器副邊電壓有效值為 UU O? = 電容的耐壓值為?? UU 2211 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，實(shí)際選取容量為 300F?，耐壓為 25V 的電容作為輸入濾波電容。 DC/DC 變換器設(shè)計(jì) DC/DC 變換器總體概述 開(kāi)關(guān)電源是用 PWM DC/DC 變換器作為開(kāi)關(guān) 調(diào)節(jié)器的，因此 PWM DC/DC 變換器是開(kāi)關(guān)電源的主要組成部分，是開(kāi)關(guān)電源的控制與功率轉(zhuǎn)換核心。 PWM DC/DC 變換器，它是由功率半導(dǎo)體器件（開(kāi)關(guān)管和二極管）和儲(chǔ)能元件（電感或電容）組成的，通過(guò)對(duì)其中開(kāi)關(guān)管的 PWM 通斷控制，講一種數(shù)值的直流電壓，轉(zhuǎn)換成所需要的另一種數(shù)值的直流電壓，并控制輸入直流電源與負(fù)載之間的功率流動(dòng)，把具有這種功能的轉(zhuǎn)換器叫做 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器。 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的組成有兩種方式：一種是由兩級(jí)轉(zhuǎn)換電路組成的 DC/AC/DC 轉(zhuǎn)換器，遷移級(jí)逆變，實(shí)現(xiàn) DC/AC 轉(zhuǎn)換，后一級(jí)為整 流，實(shí)現(xiàn) AC/DC 轉(zhuǎn)換。另一種是由開(kāi)關(guān)管和二極管開(kāi)關(guān)組合成 PWM開(kāi)關(guān)，將輸入直流電壓經(jīng)過(guò)斬波、濾波后，轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)值的直流電壓輸出。 由于本次設(shè)計(jì)要求 DC/DC 變換器為半橋，所以屬于隔離型電路。 半橋式 PWM DC/DC 變換器，是由半橋式逆變器、高頻變壓器、輸出整流器和直流濾波器組成，因此屬于直流 交流 直流轉(zhuǎn)換器。 半橋式 DC/DC 典型電路如下 上圖為輸出是全波整流電路的半橋式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主電路，此電路實(shí) 5 際上是兩個(gè)正激式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器的組合，每個(gè)正激式轉(zhuǎn)換器的輸 入電壓為Ui21，輸出電壓為 o。變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)為W1，兩個(gè)次級(jí)繞組的匝數(shù)相等，即W21 = 22 = 2，變壓器初次級(jí)繞組的匝數(shù)比 K = W21。 PWM DC/DC 變換器的工作原理 當(dāng)開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組上的電壓為Uu iAB 21?，繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)端為正極性，故整流二極管 R1導(dǎo)通，DR2反偏置截止，輸出濾波電感電流iLf增加。在Tont?時(shí)刻開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷，由于電流iLf繼續(xù)按照原來(lái)的方向流動(dòng)，故次級(jí)繞組 21和初級(jí)繞組 1中的電流也仍然按照原來(lái)的方向流動(dòng)，電流 ii DRS 11?從W21的“ *”端流出，電流iP則從“ *”端流入，于是二極管D2續(xù)流，因此，電壓uAB的極性反轉(zhuǎn)，使二極管DR2導(dǎo)通。由于兩個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，將變壓器的次級(jí)電壓鉗位在零 位，則初級(jí)電位也為零，因此電壓0?uAB，這是0?iP。而電流ii DRS 22?立即增加到WiWi SS 211222 ?，此時(shí)繞組i1中的電流為零，二極管D2截止。因?yàn)閃W 2221?，故ii LfWW 212122 ??。在???????? 2sTTon～期間，電流iLf在電壓Uo的作用下下降，所以ii WW 2122?也相應(yīng)下降。在2TSt?時(shí)，開(kāi)關(guān)管V2導(dǎo)通，電壓uAB反向，變壓器繞組電動(dòng)勢(shì)“ *”端為負(fù)、電流iP從零反向增加到iLf1?（不考慮鐵心磁化電流）。電流iDR1從Lf21降到零， DR2從iLf2增加到iLf。在???????? ? 2~ TTT sons期間，電流Lf又增加，故電流iDR2和 W1也相應(yīng)增加。在2T sont ??時(shí)，開(kāi)關(guān)管V2關(guān)斷，工作原理與開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷時(shí)相似。 DC/DC 變換器參數(shù)計(jì)算 忽略損耗，輸出電壓 O按下式計(jì)算 6 NTN tVVV SSPonSSO n D ????? 221，式中 VS—— 原邊繞組電壓（ V） NP—— 原邊繞組匝數(shù)（匝） S—— 副邊繞組匝數(shù)（匝） D —— 其中一導(dǎo)管的占空比 = tt tTt offon onSon ?? Ts—— 工作周期（ S） 串聯(lián)耦合電容的選擇 變壓器耦合電容是一種無(wú)極性薄膜電容器。為了減少電流作用下的升溫，必須使用具有較低等效串聯(lián)電阻的電容器，或者為了達(dá)到一定的電容值，必須使用多個(gè)電容器并聯(lián)連接，以降低其等效串聯(lián)電阻。 初算電容量 耦合電容器 C和電感 L折算到原邊的電感LR組成了一個(gè)串聯(lián)諧振電路，其諧振頻率為 kHzCLfRR ?21? HLspNNLR ?????????? 2 式中 LR—— 副邊電感 L 折算至原邊的電感值（H?） NNSP—— 變壓器原、副邊匝數(shù)比 C—— 耦合電容? ?F?，帶入可解得 HLSPRCNNf?? ????????? 2226410 7 為了使耦合電容器充電線(xiàn)性，必須很好的選定諧振頻率fR。一般選定ff SR ?，式中 S—— 半橋變換器的開(kāi)關(guān)頻率（ kHz)。 變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算 變壓器尺寸選擇要滿(mǎn)足在工作頻率下、溫升在允許范圍內(nèi)、輸出額定功率的要求。根據(jù)功率選定磁芯型號(hào)，其次確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的擺幅值。 找到鐵心溫升與損耗關(guān)系曲線(xiàn)，可以按以下方法設(shè)計(jì)。 以最小電壓值VS(min)下能提供額定輸出功率為前提，在脈寬最大時(shí)計(jì)算出最少的原邊線(xiàn)圈匝數(shù)。 AB tVAtVN eopt onpeonpmp p B ????? ?? 2 式中 Nmpp—— 磁密雙擺工作時(shí)原邊線(xiàn)圈最少匝數(shù)（匝） Vp —— 原邊線(xiàn)圈電壓)(2 VVs? ton —— 導(dǎo)通時(shí)間? ?s? B? —— 導(dǎo)通期間磁感應(yīng)強(qiáng)度的增量（ mT) opt—— 單相最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅（ mT） Ae —— 鐵心最小面積（mm2） 求出每匝電壓系數(shù)，即NVmppp比值 計(jì)算副邊繞組的匝數(shù)。輸出電壓應(yīng)加上繞組和二極管壓降，除以沒(méi)匝電壓系數(shù)即可求得副邊繞組的匝數(shù)。 副邊繞組匝數(shù)半匝是不合理的。除非用特別方法繞制，否則會(huì)導(dǎo)致變壓器一邊飽和。所以副邊實(shí)際匝數(shù)可在計(jì)算值上浮或下浮取整匝數(shù)。如果下浮取整，則必須按比例減小原邊的匝數(shù)，以保證輸出電壓符合要求，因?yàn)槊}寬不能大于 50%。原邊匝數(shù)的減小會(huì)導(dǎo)致鐵心磁密的增大，容易達(dá)到飽和。因此，副邊線(xiàn)圈上浮取整較好。這時(shí)，原邊匝數(shù)和最大磁通密度可以不變，只要減小脈寬就可以保證輸出電壓達(dá)到額定值。這樣，當(dāng)輸出電壓為最小值Vs(min)時(shí)，導(dǎo)通占空比小于 50%， 8 如果輸出電壓偏高，占空比更可小于 50%。從而，可用控制線(xiàn)路把脈寬限定在一定的范圍，形成的死區(qū)，有利于防止直通發(fā)生。 本次設(shè)計(jì)要求輸出功率為 120W，輸出電壓為 24V，輸出電流 5A，開(kāi)關(guān)頻率100kHz，效率設(shè)為 80%，允許溫升限為 40℃ ，計(jì)算本次設(shè)計(jì)的半橋變換器參數(shù)： ① 輸入功率WVIPP ooos ???? ?? ② 查閱磁心傳送功率與尺寸（體積）各種形式關(guān)系圖，得知， 150W 應(yīng)選RM14 或 EC41（ FX3730）磁心 ③ 從 FX3730 變壓器在自然通風(fēng)時(shí)總損耗與溫升關(guān)系曲線(xiàn)圖可知，允許溫升40℃ ，確定總損耗為 ，因最佳效率，確定鐵損 ? ④ 從 《 FX3730 變壓器在 100℃ 以下，考慮磁滯和渦流損耗與總磁通的函數(shù)關(guān)系圖》可知， 損耗對(duì)應(yīng)的磁通在開(kāi)關(guān) 100kHz 時(shí)為 8Wb? ⑤ 因 FX3730 的Ae中心磁極面積為mm2106，得 mTWbmmABeopt 8 2 ??? ?? ⑥ 磁感應(yīng)強(qiáng)度增量BoptB 2?? TmTB ????? ⑦ 原邊最少匝數(shù)Nmpp依式計(jì)算。式中st on ?5100 10 3 ???? VVac 220?，電壓范圍為 177。20%考慮，則倍壓整流電壓Vs Vs ????? ?????? ?? AB tVAtVeoptonse
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