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最优化开关电源设计大揭秘(二)AC-DC整流部分讲解

本篇文章,主要为大家讲解AC-DC整流部分的内容,AC-DC整流即输入交流电压Ui-母线电压Ug:

一、确定母线电解电容的容值

二、确定输入保险丝的电流值

三、确定输入热敏电阻

四、确定整流桥

五、确定输入共模电感

一、确定母线电解电容的容值

首先要确定母线电解电容的容值,这个怎么选?有些人会根据经验选择输出功率的3倍作为容值,比如输出30W,就选100uF的电容(30*3=90uF)。这样选择,误差较大,而且仅适合全输入电压范围的电源,如果不是全输入电压范围,就无参考意义。

这里根据等效原理图来计算如何选择,如下图:

  1. 整流桥导通区:当输入电流大于0A时,即ii>0A时,输入电压源通过D1、D2(负半周为D3、D4)给电容C充电,同时给恒功率负载供电,所以ug=|ui|=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t);
  2. 整流桥截至区:当输入电压的绝对值小于母线电压时,即|ui|<ug,电容C放电,给恒功率负载供电,所以ic=C*dug/dt即ug=ug0+(1/C)*∫ic*dt。

具体计算过程如下:

  1. 假定C的容值;
  2. 计算由导通区转为截至区的时刻t0(即输入电流=0A的时刻)与此时刻的ug(ug0),根据方程:ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug=0A;
  3. 计算截至区的时间△t=t1-t0与t1时刻的ug(ug1),根据方程:0.5*C*(ug1^2-ug0^2)=Pi*△t;其中ug1=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*f*t1);
  4. 根据母线波谷电压ug1与纹波电压△ug=2^0.5*Ui-ug1,判断所选C是否合适

示意波形图如下,示意波形图取自saber软件:

母线波谷电压ug1过小,会导致占空比变化过大,使电源无法正常工作。母线纹波电压△ug过大,会导致输出电压纹波过大。而反之,则需要使用更大容量的电解电容,导致电源成本上升。

综上,需要折衷考虑。

以上计算的mathcad,计算过程如下图所示:

如果将容值Cp改变,mathcad会自动计算,所得结果△ug可能就过大而不合适,或过小而造成浪费。比如改小CP=100uF如下图,可以看到ug1=49V太小而不合适。

将导通区与截至区的电压波形统一,即得到mathcad如下图形。并且计算了一个工频周期里的平均值,作为后续计算损耗的计算值。

并根据母线电压波形,计算输入电流ii=ic+ig=C*dug/dt+Pi/ug;作为后续输入保险等的选择依据。


二、确定输入保险丝的电流值。

根据上文计算的输入电流ii,计算i2t值作为参考,以及选用合适额定电流的保险丝,看是否满足电流降额。

mathcad计算过程如下:


三、确定输入热敏电阻

热敏电阻的作用是抑制电源冷启动时的输入冲击电流。以下分别计算稳态损耗、温升,启动瞬态输入冲击电流。

假定所选热敏电阻如下所示:

稳态部分计算如下:

  1. 根据器件资料的最大电流电阻值R,计算功耗P=I^2*R
  2. 再根据器件资料的耗散系数δ,计算温升ΔT=P/δ

mathcad计算过程如下:

暂态部分等效电路图如下:

  1. 整流桥导通区:电源冷启动瞬间,整流桥导通,交流电压源通过整流桥D1、D2(负半周为D3、D4)给母线电解电容充电;因此是一个强迫交流电压源给一阶RC电路充电。
  2. 整流桥截至区:由于电源还没有软启动,因此负载为空载,母线电解电容电压保持不变。

  1. 整流桥导通区:(ui-ug)/R=C*dug/dt,其中ui=2^0.5*Ui*sin(2*3.14*fi*t+ф),因为冷启动时的初始相位相位不定,所以理论上要考虑所有情况。这是一阶RC电路,所以根据三要素法解微分方程,其解为:ug=ug(s)+[ug(0)-ug(∞)]*e^(-t/τ),其中ug(s)为稳态解,即ug(s)=ui(s)*[(1/sC)/(R+sC)],并写成时域正弦波的形式。
  2. 整流桥截至区:ug保持不变。

以上取15度初始相位的示意波形图如下,示意波形图取自saber软件:

输入电流波形如上图:

  1. 整流桥导通区:i=(ui-ug)/R;
  2. 整流桥截止区:i=0A;

根据电流波形可以计算冷启动最大电流值和I2T,并判断所取热敏电阻是否合适。暂态部分的mathcad计算如下:此处采用90度初始相位。

si:=i*wi,中间有乘号*

母线电解电容电压波形:

冷启动输入电流波形:

根据电流波形计算的冷启动最大输入电流与I2T:

这里贴上0度初始相位时的计算波形,可以作为对比:

从这里可以看出不同的初始相位,最大输入冲击电流和I2T会有很大不同,而这仅仅依靠实验是不一定能测出来的,因为实验时,初始相位不一定刚刚好是你需要的相位。


四、确定整流桥

这部分内容比较简单,只要简单计算一下:正向平均值电流I、功耗P=VF*I,再计算下结壳温升就可以了。

mathcad计算过程如下所示:


五、确定输入共模电感

确定输入共模电感,分5部分来为大家讲解:

  1. 磁芯的选择
  2. 假定匝数,计算共模电感量,看其是否满足后续EMI的要求
  3. 假定线圈直径与并饶数,计算电流密度,看其是否合适
  4. 根据所选磁芯骨架和匝数,计算共模电感的差模分量,也即漏感
  5. 计算共模电感的铜损

所选磁芯为HS72 UU10.5

根据以上磁芯的性能指标与尺寸,

  1. 计算每匝电感量AL=μ*Ae/le
  2. 计算共模电感量L=N^2*AL
  3. 假定共模电流,计算共模电流引起的最大磁感应强度Bm_cm=(L*i)/(N*Ae)

根据以上磁芯与骨架的尺寸图:

  1. 根据所选的线圈直径与并饶数,计算窗口系数K0=(2*N*S)/Ae,看其是否合适
  2. 根据所选的线圈直径与并饶数,计算电流密度J=i/S,看其是否合适

如何计算共模电感的差模分量?

  1. 计算差模分量的磁路长度le
  2. 根据磁路长度计算空气电感Lair=N^2*μ*Ae/le
  3. 将共模电感等效为2个磁棒电感,并计算等效系数k
  4. 计算磁棒电感的电感量Ldm=k*Lair,即为差模分量
  5. 根据输入电流峰值,计算差模电流引起的最大磁感应强度Bm_dm=(L*i)/(N*Ae)
  6. 计算总的磁感应强度Bm=Bm_cm+Bm_dm,判断其是否合适

最后计算共模电感的铜损P=I^2*R。

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  • DengHuiCun 2021-03-11 07:37
    能分享下mathcad资料嘛?谢谢1048005326@qq.com
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  • laodabuxiao123 2020-12-28 00:44
    有mathcad的计算资料分享吗
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  • 阳光帝国 2020-11-11 09:27
    大开眼界,真是好文
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