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[资料] 输入电容及DCM-CCM-QR变压器计算

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    发表于 2022-1-16 16:16:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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-Vmin)V。
                    Idc*T3=C*△V
    其中:      
    △V=Vpk-Vmin=127-103=24V
       关键部分在T3的计算,T3=t1+t2,t1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=103V,Vpk=127V,可以得到θx=54度,所以
    t2=54*10ms/180=3mS, T3=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、CCM、QR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=4300nH,Bmax≥0.32T
    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%为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则  (IPK+IPK-4.94)×D/2=Iin
                        IPK=6A
    根据△I占Ipk的比例,确定△Bmax,△Bmax/Bmax=△I/Ipk得到△Bmax=4.94*0.32/6=0.26T,选择△B为0.18T,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,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:
                         
    将Vo=27.6V、Vf=1V、VdcL=115V、n=3.32、VdcH=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
         P=0.5L*I2
    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
    将   Po=166W、η=0.85、Vdc=115V、Dmax=0.48、F=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匝
    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100V,MOS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。
    更多电源资料可点击此链接:http://zyunying.zhangfeidz.com?id=26

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