输入电容及DCM、CCM、QR变压器计算!!!

电源研发精英圈 2019-06-14 20:30

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技术要求:输入电压Vin:90-253Vac

输出电压Vo:27.6V

输出电流Io:6A

输出功率Po:166W

效率η:0.85

输入功率Pin:195W

一、输入滤波电容计算过程:

上图为整流后滤波电容上电压波形,在最低输入电压下,如果我们想在滤波电容上得到的电压Vdc为115V,则从上图可以得到:  

Vpk=90*1.414=127V

Vmin=Vdc-(Vpk-Vdc)=103V

将电源模块等效为一个电阻负载的话,相当于在T3时间内电容对恒定功率负载进行放电,电容电压降低(Vpk-VminV

Idc*T3=C*△V

其中:      

V=Vpk-Vmin=127-103=24V

关键部分在T3的计算,T3=t1+t2t1为半个波头,时间比较好算,对于50Hz的交流来说,t1=5mS,然后就是计算t2,其实t2也很好计算,我们知道交流输入电压的公式为

Vx=Vpksinθx,根据已知条件,Vx=103VVpk=127V,可以得到θx=54度,所以t2=54*10ms/180=3mST3=t1+t2=8mS

C=1.7*8/24=0.57mF=570uF

二、变压器的设计过程

变压器的设计分别按照DCM、CCMQR两种方式进行计算,其实QR也是DCM的一种,不同的地方在于QR的工作频率是随着输入电压输出功率的变化而变化的。

对于变压器磁芯的选择,比较常用的方法就是AP法,但经过多次具体设计及根据公司常用型号结合,一般可以直接选择磁芯,象这个功率等级的反激,选择PQ3535的磁芯即可。磁芯的参数如下:AE=190mm2,AL=4300nHBmax0.32T

1)DCM变压器设计过程:

开关频率选择80K,最大占空比选择0.48,全范围DCM,则在最低输入电压Vdc下,占空比最大,电路工作在BCM状态,根据伏秒平衡,可以得到以下公式,

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),

从而计算反射电压为Vor=95V

匝比

n=Vor/(Vo+Vf)=3.32   Vf为整流二极管压降

计算初级匝数

计算副边匝数

Ns=Np/n=6.32,选择7匝,

则原边匝数调整为

Np=3.32*7=23匝

计算辅助绕组匝数,输出电压变化范围按照20-27.6V设计,要求在20V输出下辅助绕组能正常供电,所以,辅助绕组选择4匝。

初级电感量

Po=0.5L*I*I*F/η  I=Vinmin*Dmax/(L*F)

将各个参数代入,得到L值     L=78uH

初级电流峰值:

初级电流有效值:


次级电流有效值:


根据电流有效值,可以选择变压器线径,根据匝数绕电感后,调整气息使电感量满足要求,即可得到合适的变压器。

以下黄色字体部分,是根据batteryli提到,对于DCM,变压器的△B值可以适当选的大一些,从而降低匝数减小漏感,可以减小尖峰。因此按照△B=0.2设计的变压器。

开关频率选择80K,最大占空比选择0.48,全范围DCM,则在最低输入电压Vdc下,占空比最大,电路工作在BCM状态,根据伏秒平衡,可以得到以下公式,

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),

从而计算反射电压为Vor=95V

匝比

n=Vor/(Vo+Vf)=3.32   Vf为整流二极管压降

计算初级匝数

计算副边匝数        Ns=Np/n=4.8,选择5匝,

则原边匝数调整为      Np=3.32*5=17匝

计算辅助绕组匝数,输出电压变化范围按照20-27.6V设计,要求在20V输出下辅助绕组能正常供电,所以,辅助绕组选择3匝。

初级电感量 Po=0.5L*I*I*F/η  I=Vinmin*Dmax/(L*F)

将各个参数代入,得到L值 L=78uH

初级电流峰值:


初级电流有效值:

次级电流有效值:


根据电流有效值,可以选择变压器线径,根据匝数绕电感后,调整气息使电感量满足要求,即可得到合适的变压器。

2)CCM变压器设计过程:

CCM变压器的设计,必须首先确定一个负载点,在该状态下,变压器工作在BCM状态下,如果负载继续增加则进入CCM,如果负载减小,则进入DCM,一般情况下,我会选择最低输入电压下额定负载的70%BCM状态。

70%负载情况下,输出功率为P0.7=27.6*6*0.7=116W,因此峰值电流为

     


从这个时刻,如果继续增加负载电流,变压器进入CCM状态,占空比不变,所以,峰峰值电流也就是这个值,因此ΔI=4.94A

满载情况下,输入平均电流

设峰值电流为IPK


根据△IIpk的比例,确定△Bmax,△Bmax/Bmax=I/Ipk得到△Bmax=4.94*0.32/6=0.26T,选择△B0.18T,计算变压器原边匝数       

 

根据伏秒平衡,可以得到以下公式,

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax),

从而计算反射电压为Vor=95V

匝比 n=Vor/(Vo+Vf)=3.32   Vf为整流二极管压降

副边匝数    Ns=18/3.32=5.4,选择6匝,

原边匝数调整为  Np=3.32*6=20

计算辅助绕组匝数,输出电压变化范围按照20-27.6V设计,要求在20V输出下辅助绕组能正常供电,所以,辅助绕组选择4匝。

根据△I=Vdc*Dmax/Lp*F,可以得到变压器原边电感值


3)QR模式变压器的设计过程

最低输入电压103V,最大占空比Dmax选择0.48,在最低输入电压情况下,变压器工作在临界模式(QR模式实际只是近似与临界模式不是在临界模式,只是为了方便计算,用临界模式来近似计算),则根据伏秒平衡

Vdc*Dmax=Vor*(1-Dmax)

Vor= Vdc*Dmax/(1-Dmax)

=103*0.48/1-0.48

=95V

匝比      n=Vor/(Vo+Vf)=95/(27.6+1)=3.32

采用0B2203,如果全范围内都工作在QR状态下,则在同一负载条件下,工作频率只跟随输入电压变化,频率变化比如下:      

Vo=27.6VVf=1VVdcL=115Vn=3.32VdcH=360V代入,可以得到FsH=2.25FsL,如果将低压满载工作频率设置在50k,则高压满载工作频率则工作在2.25*50=112.5 k

变压器工作在QR模式时,MOS管开通时,变压器原边储存能量,在MOS关关闭时刻完全传递到副边,每个周期变压器原边储存的能量为

变压器传递到副边的总能量等于每个周期传递的能量与频率的乘积,所以      

原边峰值电流可以通过下式得到 

   Po=166Wη=0.85Vdc=115VDmax=0.48F=50K带入上式可以得到变压器原边电感  L=156uH

在最低输入电压情况下,初级峰值电流最大,初级电流峰值最大值

初级电流波形为三角波,所以有效值为

次级电流有效值 

则初级绕组匝数

次级绕组匝数Ns=26/3.32=8匝,选择8匝,则原边调整为27

由于负载为两串铅酸蓄电池,最低充电电压按照20V计算,辅助绕组选择4匝。

MOS管的选择

初级峰值电流6.34A,按照1.5倍余量选择,MOS管电流选择6.34*1.5=9.5A

输入电压最高值360V,反射电压95V,考虑尖峰电压100VMOS管耐压按照0.85的余量选择,则MOS管耐压应不低于

库存MOS管中,满足电压电流条件的型号为FQA13N80,所以选择该型号MOS管。

输出二极管的选择

变压器变比27:8,当输入电压最高时,折算到副边的电压为

360*8/27=107V

因此二极管承受的反向电压为107+27.6=135V,考虑尖峰电压50V,二极管耐压按照0.85的容量选择,则

V=(135+50/0.85=218V

副边峰值电流为6.34*27/8=21A

库存最接近的二极管是STTH3003,耐压300V,两个15A二极管并联。

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