数字交流电源设计

设计目标:市电输入、开关频率32KHz、0~220V 50~100Hz 1200W输出。

1.确定输入电压

经查阅,我国市电电压标准,220V单相供电时,为额定值的+7%,-10%。因此,输入电压范围198VAC-235.4VAC。

2.确定输入电流

式中,Po为开关电源的输出功率,η为电源效率,umin为交流输入电压的最小值,cosφ为开关电源的功率因数。

Po:开关电源设计功率1200W

Umin:市电最低输入198V

η:正常开关电源效率高于80%,这里直接取最低值0.8

cosφ:单相不校正估算0.6  三相不校正估算0.85  校正估算0.95

经过计算得,Irms = 12.6 ≈ 13A。

3.保险管

额定电压:大于输入电压即可。输入电压220V,可选规格250V,300V,350V。

最小额定电流:大于额定电流,即12.6A。 

常用尺寸:5*20、6*30、10*38。

最终选型:250V,30A,10*38mm(保险管座同型号)。

4.EMI电路

X电容:在开关电源上面,一般都会使用X2安规电容。两级X电容,前一级用0.47uF,第二级用0.1uF;单级则用0.47uF。

X电容泄放电阻:IEC60950规定1s内电压需下降至37%,IEC60065规定2s内电压需降至35V。如果按照IEC60950,时间常数RC < 1,则前级泄放电阻R < 2.1MΩ,后级泄放电阻R < 10MΩ。

Y电容:从耐压来看只能选择Y1电容。GJB151中规定Y电容的容量应不大于0.1uF;且工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。I = U*(2πf * C) < 0.35mA,经计算C < 4.7nF。

共模电感:额定电流大于平均输入电流12.6A。EMI测试频率,传导150KHz~30MHz,通常可将截止频率设定在fo = 50KHz左右(一般不低于10KHz);其中C2位Y电容,假设2.2nF;经计算L1 = 4.6mH。

最终选型:X2电容,前一级0.47uF,第二级0.1uF;X电容泄放电阻,700V,820kΩ,500mW;Y1电容,400V,2.2nF;共模电感,20A,5mH。

5.预充电阻

耐压:最大输入电压,即235.4V。

阻值:经过simulink仿真,已选定电容情况下,约1500Ω时充电时间10~20S(误差5%)。

瞬间功率:水泥电阻瞬时功率大约是额定功率的10倍。即瞬时功率 = (Umax ^ 2) / R,其中Umax为最大峰值电压(235.4*1.414)、R为预充电阻(1500*0.95)。经计算得,77.75W,即额定功率为7.775W。

最终选型:耐压750V,阻值750Ω,功率5W,串联数2。

6.预充继电器

额定电压:最大输入电压,即235.4V。
额定电流:输入电流12.6A。

最终选型:额定电压250VAC,额定电流15A。

7.确定母线参数

母线电压:输出电压 * 1.414 / 0.9 / 0.9(电网波动) / 0.9(母线波动) = 427V。

交流变压:母线电压 / 1.414 ≈ 300V

最小等效电阻:(最小母线电压 ^ 2) / (最大输出功率 / 效率),经计算为97.1706456Ω。

脉动周期:市电50Hz,经过整流桥整流后频率为100Hz。即脉动周期为0.01S。

母线电压波动:目标值设定为,下降不得小于90%。

预充时间:目标值设定为10-20S,充到405V(95%)。

8.隔离变压器

频率:50Hz

初级:220V 12.6A

次级:300V 9.24A

功率:输入电流 * 输入电压 = 2772W ≈ 3000W

9.输入整流桥

正向电流:峰值电流 * 1.2(余量),即9.24 * 1.414 * 1.2 = 15.67 ≈ 16A

反向耐压:峰值电压 * 1.2(余量) * 2(防漏电流系数),即321 * 1.414 * 1.2 * 2 = 1089.3456V

最终选型:正向电流35A,反向耐压1000V。

10.母线电容

耐压:峰值电压 * 1.2(余量) = 300 * 1.414 * 1.07 * 1.2 = 544.6728V

容量:e ^ ((-1 * t) / (R * C)) > 电压波动,其中t为脉动周期、R为等效电阻。经计算得,C > 976.758μF。

最终选型:耐压400V,容量1.2mF,漏电流1.5mA。2串2并。(容量误差±20%,因此C > 1221μF)。

11.母线电容平衡电阻

阻值:(母线峰值电压 / 串联数) / (漏电流 * 并联数 * 20) = 3888.5Ω

功率:(母线峰值电压 / 串联数) ^ 2 / 阻值 = 13.9986W

12.全桥MOS

漏源额定电压:峰值电压 * 1.5(余量) = 321 * 1.414 * 1.5 = 680.841V

额定电流:输出电流 * 1.1(余量) * 1.414 * 1.2(纹波) = 10.18 ≈ 11A。

13.输出滤波电路

截止频率:f < 开关频率 / 6且f > 最大输出频率 * 6,即[600,5333]

根据公式f < 1 / (2 * π * sqrt(lc)),即lc ∈ [9e-10,7e-8]

电流纹波小于20%:(Uin - Uout) / L  * (Uout / Uin) * T < Imax * 20%

                               Uin:变压器次级电压

                               Uout:输出电压

                               L:电感量

                               T:脉动周期

                               Imax:最大输出电流

        对上式进行变换L > ((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

            首先,当Uin =Uinmax时,((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

            其次,当Uout = Uin / 2时,((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)最大

            因此,L > ((Uinmax / 4) * T) / (Imax * 20%)时即可

            经过计算得,L > 2.3mH

根据滤波参数LC ∈ [9e-10,7e-8]。如果L = 3mH,则C约等于0.3uF~23.3uF。

纹波系数小于0.2%:电容ESR纹波+电容充放电纹波 < Vmax * 0.2% = 0.62216V
      其中,1.Vesr = 电流纹波 * ESR
                 2.Vc = Q / C = (1 / C) * ∫Icdt;电感电流中,平均电流上面包围的面积为充电,面积为(1 / 2) * (电流纹波 / 2) * (T / 2)
      因此,纹波电压 = 电流纹波 * ESR + (电流纹波 * T) / (8 * C) = 电流纹波 * (ESR + T / (8 * C))
      当电容N并联后,ESR = 单体ESR / N,C = 单体C * N。即,纹波电压 = 电流纹波 * (单体ESR + T / (8 * C单体)) / N

在满足纹波电压的情况下,尽量减小电容值,以满足更大的截止频率。

假负载损耗不超过5%,则Pdummyload < Poutmax * 0.05 = 60W,Umax ^ 2 / R < 60,R > 806.67Ω

滤波电感:电感 * 1.3(余量) = 2.3 * 1.3 = 3mH;

                  电流:(电流+1/2纹波) * 1.3(温升余量) = (Imax + (Imax * 20% / 2)) * 1.3 = 7.8A ≈ 8A

滤波电容:峰值电压 * 1.2(余量) = 220 * 1.414 * 1.2 = 373.296V
                 容量:N = 1,薄膜电容忽略ESR。经计算,C > 9.6856uF,且0.3uF~23.3uF。

最终选型:电感3mH,8A;电容10uF,900V;假负载10000Ω,700V,额定功率10W,2并。

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