48V25A直流高频开关电源设计

第2章 高频开关电源主电路的设计与实现

(b)

(c)

(d)

图2-7参考文献中的仿真波形

图2-7分别给出了原边电压Vin、原边电流和副边整流后的电压Vcd波形，从中可以看出，当原边电流从正方向(或负方)变化到负方向(或正方)负载电流时，副边存在占空比丢失。图2-7(d)是Q2的驱动波形及其漏源极电压Vds(2)波形，图中表明，当Vds(Q2)降到零，其反并二极管导通时，开通Q2，因此Q2是零电压开通。在Q2关断时，由于其结电容的存在，使它为零电压关断。因此移相控制方式实现了开关管的零电压开关。

2.3.4 结论

通过以上分析，可以得出以下结论：

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第2章 高频开关电源主电路的设计与实现

(1) 移相控制全桥变换器实现了开关管的零电压开关，大大减小了开关损耗，有利于提高开关频率，减小变换器的体积和重量； (2) 领先桥臂比滞后桥臂容易实现零电压开关；

(3) 漏感使副边存在占空比丢失。

2.4主电路元件参数的选择

2.4.1 输入电路参数的选择[8]

对于中小功率电源，一般采用单相220V交流电输入；而中大功率电源则是采用三相交流输入。本开关电源采用的是单相220V/50Hz的交流电Vin，经过全桥整流后得到脉动的直流电压Vin，输入滤波电容Cin用来平滑这一直流电压，使其脉动减小。

由于单相桥式整流电路中，四个二极管轮流导通半个周期，所以流过二极管的电流平均值为

IL?0.9U2 RL由单相整流图可知，在U2的正周期时，二极管D1，D3导通，D2，D4截止而承受反向电压，反向电压的最大值为U2的峰值，即

URM?2U2

在正半周期时，二极管D1，D2承受同样的反向电压。

选择二极管时，主要依据以上两个式子，为安全起见，选择二极管的最大整流电流应大于二极管的平均电流，二极管的反向峰值工作电压应大于在电路中实际承受的最大反向电压的一倍。

输入滤波电感的选择，根据经验，选用值为几个或者不足一个毫亨的电感。 按照下面的步骤计算Cin的容量： (1) 线电压的有效值：187V~253V (2) 线电压的峰值：264V~358V

(3) 整流滤波后直流电压的最大脉动值：

VPP?2Vline(min)*(20%~25%)≈50V

(4) 输入滤波后的直流电压Vin：(2Vline(min)?VPP)~2Vline(max) 为

200 V~358V

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每个周期中输入电容Cin提供的能量Win约

WIN?PinP?out fin?fmin式中的?为输入到输出端的转换效率，值为0.9；fmin为最小开关频率，值为70KHZ，电源的最大输出功率为1500W。 代入数值得到：

Win?25.2J

每半个周期输入滤波电容提供的能量为：

Win122?Cin[(2Vline)?(2V?V)] line(min)PP(min)22输入电容的容量为：

Cin?代入数值得到：

Win(2Vline(min))?(2Vline(min)?Vpp)22

Cin?1145?F

在实际的电路中采用4个330/450V的电解电容相并联。 输入电压的最小值：

Vin(min)?(2Vline(min))2?=200V

Win Cin2.4.2高频变压器的设计[1]

在通信开关电源中，高频变压器的功能包括：a：电气隔离；b：降压作用；c：参与功率开关管的软开关过程。进行高频变压器设计时必须全面考虑对变压器性能产生影响的因素，如磁芯材料的选择、磁通密度和铁损的限制、制造工艺等。

在设计高频变压器时，必须满足以下要求：

①变压器初、次级绕组变比应满足要求，即输入电压最低时，仍能得到所需的输出电压。

②当输入电压最高，占空比最大时，磁芯不会饱和。当输出功率最大时，变压器温升在允许的范围之内。

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第2章 高频开关电源主电路的设计与实现

④初、次级绕组的损耗应相等，铜损与铁损也应相等，损耗应足够低。 ⑤初、次级绕组之间的漏感应适当小。 ⑥符合必要的安全规格。

根据上述要求，我们重点对磁芯材料选择和变压器初、次级变比计算进行讨论。

1.电压比

为了使变压器在规定的输入电压范围内输出所要求的电压，变压器的变比应该按最低输入电压Vin选择。考虑到移相控制中副边占空比丢失现象，我们选择副边最大占空比Dmax为0.85，得到原副边变比为：

n??Vin(min)DmaxV0(MAX)?VD?VLf

200?0.85?2.7560?1.4?0.5式中：Vo(max)为最高输出电压； VD为输出整流二极管的通态压降；

VLf为输出滤波电感上的直流压降。

2.铁心的选取

计算出电压比后，可根据以下公式选取合适的铁心：

AeAw?PT

fs?Bdckc 式中：Ae为铁心磁路截面积；Aw为铁心窗口面积；PT为变压器传输功率；

fs为开关频率；kc?B为铁心材料所允许的最大磁通密度的变换范围；dc为变压器绕组导线的电流密度；kc为绕组在铁心窗口中的填充因数。

电路中变压器的传输电压VDR?2Vin/n，开关频率fs为85KHZ，PT为1500W，铁心材料选为铁氧体，其?B取0.2T，导体电流密度dc选取4A/mm2，窗口填充因数kc选取0.5，将数据代入公式得到

AeAw?4.4?10?8m2

按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册，选取铁心型号为EE55，其铁心截面积为3.53×10?4m2，窗口面积为2.80×10?4m2，可以满足要求。

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