【文章內(nèi)容簡介】 在最大占空比和最低輸入電壓的條件下，輸出電壓能達(dá)到要求的上限，考慮到電路中的壓降，輸出電壓應(yīng)留有裕量，即， m in ( 380 38 ) ( 1 5% ) 439iUV? ? ? ? ? ? （ ） 式中 ， kT 為電壓比； Uimin 為輸入直流電壓最小值，應(yīng)選取輸入電壓下限并注意考慮電壓的紋波； Dmam為最大占空比； Uomax為最高輸出電壓； U? 為電路中的壓降，應(yīng)包含整流二極管和電路中的線路壓降等。 此設(shè)計(jì)中， Uimin 取輸入電壓下限的整流電壓，并送去該電壓波動量的一半。整流濾波電路的 Uo=（ 1～ ） U1，本設(shè)計(jì)取 。 m in ( 380 38 ) ( 1 5% ) 439iUV? ? ? ? ? ? 取 440V Dmax同控制電路有關(guān)，此處選為 。 Uomax選 為最高輸出電壓 280V， U? 選2。 將以上數(shù) 據(jù)代入式 （ ） ，可得： ? 變壓器 鐵心的選取 計(jì)算出電壓比后，可根據(jù)以下公式選取合適的鐵心： Tew s c cPAA f Bd k? ? () 式中， eA 為鐵心磁路 截面積； wA 為鐵心窗口面積； TP 為變壓器傳輸?shù)墓β?；sf 為開關(guān)頻率； B? 為鐵心所允許的最大磁通密度的變化范圍； cd 為變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度； ck 為 繞組在鐵心窗口中的填充因素。 根據(jù)式（ ）計(jì)算鐵心截面積 — 窗 口面積的積，其中 TP 取 2800W，開關(guān)頻 率 sf 取 50kHz，材料選為鐵氧體，其中 B? 取 ， 導(dǎo)體電流密度 cd 選取4A/mm2， 即 4179。 106A/m2,窗口填充因素 ck 選取 。 如此，則 得 ： 741. 4 10ewA A m??? 按照鐵氧體 鐵心生產(chǎn)廠家提供的手冊，可以選擇國產(chǎn) E 型磁 芯 E65，查表邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 ，得其鐵心截面積為 4179。 104 2m ，窗口面積為 179。 104 2m ，鐵心截面積— 窗口面積的積為 179。 107m4，可以滿足要求 表 國產(chǎn) EE 型磁芯 尺寸規(guī)格 型號 外形尺寸 /mm 磁芯 截面積 Ae/cm2 A B C h H D E12 3 8 12 4 6 3 E16 4 10 16 5 8 4 E20 5 13 20 10 5 E24 6 16 24 8 12 6 E30 7 18 30 9 15 7 E43 12 28 43 14 12 E55 17 37 55 17 E65 20 43 65 20 4 E85 28 55 85 29 29 28 E110 36 72 110 37 37 32 變壓器 繞組匝數(shù) 選定鐵心后，便可 以計(jì)算出繞組匝數(shù)。由于電壓比已知，可以首先計(jì)算一次或二次繞組中的任意一個，然后根據(jù)電壓比失算出另一個繞組匝數(shù)。通常計(jì)算二次匝數(shù)更容易些，計(jì)算公式為 ： veSN BA?? () 式中， N 為所計(jì)算的繞組匝數(shù)； vS 為這一繞組承受的最大伏 — 秒面積，其定義為 0 onTvTS U dt?? B? 為鐵心材料允許的最大磁通密度變化范圍； eA 為鐵心截面積。 為保證在任何條件下鐵心不飽和，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按最大伏 — 秒面積計(jì)算匝數(shù)。因?yàn)殡娐分须妷旱牟ㄐ味际欠讲?，所以最大?— 秒面積的計(jì)算可以簡化為電壓和脈沖寬度的乘積。通常計(jì)算二次側(cè)最大限度伏 — 秒面積較為方便。對半橋型、全橋型號、推挽型電路，有： m a x 20m a x [ ]onTvTS U dt? ? 0max 2TsU? （ ） 因此，二次繞組匝數(shù)的設(shè)計(jì)公式可簡化為： 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 對半橋型、全橋型、推挽型電路 02 2U TsN BAe? ? （ ） 根據(jù) （ ） 計(jì)算出繞組匝數(shù)為： N2=35 匝 一次繞組匝數(shù)可由二次繞組匝數(shù)和電壓比推算得到，為： N1=N2KT=49 匝 變壓器 繞組導(dǎo)體截面 根據(jù)流過每個繞組的電流值和預(yù)先選定的電流密度，中計(jì)算出繞組導(dǎo)體截面為： IAc dc? （ ） 根據(jù)式 （ ） 可得二次繞組的導(dǎo)體截面積為： Ac2=179。 106m2 = 根據(jù)電壓比可以推算出一次繞組導(dǎo)體的截面積為： Ac1= 輸出濾波電路的設(shè)計(jì) 首先根據(jù)應(yīng)用場合選定主要工作條件 ， 選擇合 適的開關(guān)頻率 fs：開關(guān)頻率的選取主要應(yīng)考慮 4 個因素：即整機(jī)體積、功率損耗、主開關(guān)的承受能力和電磁干擾的影響。一般有 fs 越高，功耗越大，產(chǎn)生的電磁干擾也越大，但外接電路中的電感、電容元件值可以越小，整個系統(tǒng)的體積也就越??；還受主開關(guān)的工作頻率的限制。另外，為避免開關(guān)噪聲對通信電路的影響， fs 應(yīng)避開 。 經(jīng)過高頻開 關(guān) 變壓器降壓后的脈動電壓同樣要使用二極管和電容進(jìn)行整流和濾波，只是此時(shí)整流時(shí)的工作頻率很高，必須使用具有快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管，普通的整流二極管難當(dāng)此任，而整流部分使用的電容也不能有太大的交流阻 抗，否則就無法濾除其中的高頻交流成分，因此選擇的電容不但容量要大，還要有較低的交流電阻才行 。 濾波電感 首先選定允許的電感電流最大紋波值，然后按如下公式計(jì)算電感值： 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 對全橋、半橋、推挽電路， max ^4iTULk fs I? ? （ ） 式中， L 為濾波電感的值； maxiU 為輸入電壓最大值取 280V； fs 為開關(guān)頻率取 50Khz； ^I? 為允許的電感最大紋波波峰峰值取最大輸出電流的 20%，即 2A。 根據(jù)式（ ）可得電感： L=7179。 104H = 計(jì)算出電感值后，根據(jù)電感值和流過電感的電流，按如下公式選定電感鐵心： m^mm axIIaxaxewccLAA B k d? （ ） 式中， eA 為鐵心磁路截面積； wA 為鐵心窗口面積； L 為電感值； mIax 為電感電流最大有效值； m^Iax 為電感 電流最大峰值； maxB 為磁 路 磁通密度最大值， cd 為電感繞組導(dǎo)體的電流密度； ck 為繞組在鐵心窗口中的填充因素。其中，電 感值 L ?。浑姼须娏髯畲笥行е?mIax 取最大輸出電流 10A；電感電流最大峰值 m^Iax 取最大輸出電流加上電感 電流最大紋波峰峰值 ^I? 的一半 ，即 11A；磁路磁通密度最大值取 ；電感繞組導(dǎo)體密度 cd 取 4A/mm2 繞組在鐵心窗口中的填充因素 ck取 。計(jì)算得鐵心磁 路截面積與窗口的乘積 ewAA 應(yīng)滿足： 10ewA A m??? 按照鐵氧體鐵心生產(chǎn)廠家提供的手冊，可以選擇鐵心型號為 E55B，查表 得其鐵心截面積為 179。 104m2， 窗口面積為 Aw=(BA)179。 2h/2=37179。 104m2，鐵心截面積 — 窗口面積的乘積為 179。 106m4可以滿足要求。 再按下式計(jì)算繞組匝數(shù)： ^maxmaxIL LN B Ae? （ ） 72LN ? 匝 按如下式計(jì)算氣隙： 20 Lu AeNl L? （ ） 其中， 0u 為真空磁導(dǎo)率，其數(shù)值為 74 10 /Hm? ?? ， 得 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 10lm??? 注意到鐵心由兩半對合而成，氣隙長度應(yīng)為 2 倍的鐵心間距，因此鐵心間距應(yīng)取 。 然后根據(jù)電感 電流和預(yù)先選定的電流密度，可以計(jì)算出電感繞組的導(dǎo)體截面為 ： mm? 開關(guān)器件及二極管的設(shè)計(jì) 變壓器和濾波電路設(shè)計(jì)完畢后，電路中各元器件的電壓和電流對數(shù)基本確定，就可以開始開關(guān)器件及二極管的設(shè)計(jì)了。開關(guān)器件及二極管的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下兩個原則： （ 1） 器件工作時(shí)的電壓和電流都不應(yīng)走出其安全工作區(qū)（ SOA） IGBT、MOSFET 以及各種二極管都應(yīng)有相應(yīng)的安全工作區(qū)，這也是其 產(chǎn)品手冊的重要內(nèi)容 。值得注意的是，開關(guān)器件在實(shí)際電路中承受的電壓和電流都是脈沖波，因此脈沖安全工作區(qū)是最有指導(dǎo)意義的。 （ 2） 工作時(shí)的結(jié)溫不能超過最大結(jié)溫，由于半導(dǎo)體在較高的溫度條件下會變成導(dǎo)體，從而失去電壓阻斷能力，因此器件工作中管芯的結(jié)溫不能超過允許值，這一上限同管芯材料和工藝有關(guān)。對于采用目前普遍使用的硅材料制造的各種高頻開關(guān)器件，如 IGBT、 MOSFET 和 GTR 而言，其結(jié)溫上限為 125℃～ 175℃。器件工作中都會產(chǎn)生損耗，以熱的形式通過器件的殼體散發(fā)到環(huán)境中，傳熱過程中結(jié) — 殼間就會形成溫差。 在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該計(jì)算 出器件工作時(shí)的電壓和電流峰值，并根據(jù)安全工作區(qū)（ SOA）來初步選擇器件的電壓和電流容量，然后根據(jù)估算的器件發(fā)熱功率、最高環(huán)境溫度和熱阻等參數(shù)來估算工作時(shí)的結(jié)溫，并應(yīng)留有裕量。 變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計(jì) 二極管承受的反向電壓最大值為整流電壓最大值除以變壓器電壓比，取220V，考慮到二極管關(guān)斷時(shí)會有過電壓，并考慮到輸入電壓的浪涌等因素，因此選取二極管的耐壓不低于 600V。 流過二極管的峰值電流為 ： ^^m ax 0 m axDI I I? ? ? （ ） 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 按式（ ） 設(shè)計(jì)流過的二極管的峰值電流，得： max 11DIA? ? 流過二極管的最大平均電流為： ^ max 0max12DII? （半橋型號、全橋型、推挽電路 ） =5A （ ） 所選取的二極管允許的峰值電流應(yīng)大于 11A，平均電流應(yīng)大于 5A。 根據(jù)二極管的平均電流可以估算其通態(tài)損耗為： maxDon D DP I U?? （ ） 式中， UD 取二極管在流過峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降，根據(jù)有關(guān)產(chǎn)品手冊取 2V，則 ： 10DonPW? 二極管的開關(guān)損耗根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按通態(tài)損耗的 ～ 2 倍估算，即 ， 20DSPW? 在每個二極管單獨(dú)安裝在 1 個散熱器 的條件下，根據(jù)二極管的損耗功率（即發(fā)熱功率）和器件的結(jié)溫上限以及溫度的上限?？梢杂?jì)算出允許的散熱熱阻的上限為： JM A Mth J th CD o n D STTR c R A PP?? ? ? ? ? （ ） 式中， thJRc? 為二極管的結(jié)殼熱阻； thCRA? 為散 熱器的熱阻； JMT 為二極管允許的最高結(jié)溫； AMT 為技術(shù) 要求中環(huán)境溫度的上限。 二極管的結(jié)殼熱阻散熱器熱阻不能超過 /CW? ，這是選取二極管及其散熱器的依據(jù)。 查表 ，型號為 DSEI1206A 的二極管，其反向耐壓為 600V，正向電流為 14A，結(jié) — 殼熱阻 RthJc 為 2℃ /W，其管殼與散熱器的接觸熱阻典型值為℃ /W，這樣，散熱器 臺面到環(huán)境 的熱阻就不能大于 ，這意味著要有較大的散熱器，并需要強(qiáng)制冷風(fēng)，不太合理。因此，選擇另一種電流容量更大的型號為 DSEI3006A 的二極管，其反向耐壓為 600V，正向 電流為 37A，結(jié) —?dú)嶙?RthJc 為 1K/W，管殼與散熱器的接觸熱阻典型值為 ℃ /W，散熱器臺面到環(huán)境的熱阻應(yīng)小于 ℃ /W。如果 4 個二極管安裝在同一散熱器上，并邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 使用了絕緣墊，則應(yīng)考慮絕緣墊的熱阻，并且散熱器熱阻應(yīng)按 1 個二極管計(jì)算值的 1/4 選取。 表 IR 和 IXYS 公司典型的快恢復(fù)二極管參數(shù) （ 1） IR公司 型號 URRM/V IF/A TC/℃ UFM/A IFSM/A tRR/ns(1A,25℃ ) R(TH)JC/℃ /w IN389? 100～ 400 12 100 150 300 IRD3900,1,2,3 100～ 400 20 100 250 350 B40HFL? S05 100～