安匝断续反激变换器设计.docx

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安匝断续反激变换器设计

安匝断续模式下反激变换器设计

1、设计参数

1.输入电压：

Ui=（28±4）V；

2.输出电压：

Uo=5V；

3.满载电流：

Io=10A；

4.短路电流：

Is=12A；

5.开关频率：

f=100Hz；

6.24V临界占空比D=0.5

7.最大损耗（绝对）：

2.0W；

8.最大温升：

ΔT=40℃，自然冷却；

9.二极管压降Ud=0.6V。

10.工作磁通密度Bmax=0.3T

2、单端反激变换器主电路图

3、设计步骤

1.确定匝比：

由二次侧输出电压

=5+0.6=5.6V，输入最低电压Ui=12V以及设定占空比0.5临界连续，决定匝比：

匝比n选4：

1，输出峰值电流减小，减少输出电容负担，初级开关峰值电压减小。

2.临界占空比实际值：

3.次级电流及电感计算：

（1）次级峰值电流计算：

考虑到磁路安匝临界连续，由平均电流求临界连续时次级峰值电流：

（2）额定负载时电流峰值为：

（3）次级电流有效值为：

（4）电流最大变化值为：

（5）需要的电感为：

由于铁氧体材料在高频下具有很高电阻，因而涡流损耗低，同时具有价格低的优势，是高频变压器磁芯首选材料，本设计使用铁氧体P类。

4.工作磁通密度和最大摆幅：

如图1，在磁芯损耗曲线中，一般取损耗限制为100mW/cm3,纹波频率为100KHz，由此决定了最大峰值磁通密度为1100×10-4T。

得到峰值磁通密度乘以2，获得峰值磁通密度摆幅为2200×10-4T，即0.22T。

因为在断续模式中，Bmax=ΔBmax，因而Bmax也被限制在0.22T，接近饱和。

因此，在Bmax=0.22T时，相应ΔI=I2P=46.4A。

图1不同频率下比损耗与峰值磁感应强度的关系

5.选择磁芯形状和尺寸：

采用损耗限制面积公式得：

采用EI25磁芯，AP=0.366cm4（带骨架）。

由图2查得所选磁芯参数：

有效磁芯截面积Ae=0.44cm2；有效体积Ve=1.93cm3；平均磁路长度

le=4.86cm；中柱尺寸C=0.675cm,D=0.65cm;窗口面积AW=0.835cm2。

图2EI磁芯结构参数

6.热阻及损耗计算：

由窗口面积获得热阻为：

根据最大温升ΔT,计算允许损耗：

Plim=ΔT/RT=40/43.5=0.92W

7.计算次级线圈电感量的匝数：

8.计算气隙长度：

9.计算100kHz时的穿透深度：

10.计算导线尺寸：

由于输出电流为10A，即

次级电流有效值为：

次级电流交流分量为：

选择电流密度为400A/cm3,次级导体截面积16A/400=4mm2。

依据图3，可选择2层宽为10mm，厚度为0.2mm的铜箔绕制。

初级峰值电流为：

初级电流平均值为：

初级电流有效值为：

初级电流交流分量为：

电流密度为400A/cm3,需要导线截面积为3.89/400=0.973mm3，可选用宽度为10mm，厚度为0.1mm的铜箔卷绕。

图3导线规格表

11.损耗与温升的校核：

磁芯损耗计算：

（1）次级线圈损耗计算：

EI25磁芯窗口宽度为13.25mm。

考虑骨架，线圈可选10mm。

导线截面积除以线圈宽度10mm，得到导体厚度为0.4mm（2层厚度为0.2mm的铜箔）。

一共5层，包含匝间0.005cm绝缘和0.005cm绝缘，结果线圈高度为1.5mm。

平均匝长为3cm，总的线圈长为9cm。

线圈电阻为9cm。

线圈电阻为：

直流损耗为：

查图得，Q=0.8，3层的Rac/Rdc近似为1.5，则Rac=0.78mΩ。

交流损耗为：

（2）初级线圈损耗计算：

初级线圈共12匝即12层，平均匝长为4cm，总的长度为48cm。

线圈电阻为

直流损耗为：

查图4得，Q=0.4，12层的Rac/Rdc近似为1.5，则16.5mΩ。

交流损耗为：

线圈总损耗为：

总损耗为：

损耗与温升校核满足要求。

图4交流与直流电阻比和等效铜厚度、层数关系

12.二极管选型

（1）二极管承受最大正向电流：

Imax=38.7A，考虑安全裕量，IF选择60A

（2）二极管承受最大方向压降：

Uf=Uo+Ui*N2/N1=5+32/4=13V。

考虑安全裕量：

UF选择40V左右，故选择MBR6020系列。

13.开关管选型

（1）开关管承受最大压降：

UTmax=Ui+（Uo+0.6）*N1/N2=32+（5+0.6）*4=54.4V

考虑安全裕量：

UTF选择150V

（2）开关管最大正向电流：

ITmax=N2/N1*Imax=38.7/4≈10A

考虑安全裕量：

ITF选择20A，故选择MOS管IRF9630。

Matlab程序：

clear;clc;

Ui=24;%输入电压

Uo=5;%输出电压

Io=10;%满载电流

Is=12;%短路电流

f=100*1000;%开关频率

D=0.5;%24V临界占空比

Pmax=2;%最大损耗（绝对）

Tmax=40;%最大温升

Ud=0.6;%二极管压降

Bmax=0.22;%工作磁通密度

Uo1=Uo+Ud;%二次侧输出电压

n=round（[Ui/Uo1*D/（1-D）]）;%匝比

Dmax=Uo1*n/（Ui+Uo1*n）;%临界占空比

I2dc=Io;%次级峰值电流

I2p=2*I2dc/（1-Dmax）;%额定负载时电流峰值

I2=0.577*I2p*sqrt（1-Dmax）;%次级电流有效值

Imax=I2p*Is/Io;%电流最大变化值

L=Uo*10*（1-Dmax）/Imax;%电感的选取

Ap=（L*Imax/Bmax*16/0.006）^（4/3）;%磁芯面积乘积

Ae=0.44;%磁芯截面积

Aw=0.835;%窗口面积

RT=800/（22*Aw）;%热阻

Plim=Tmax/RT;%允许损耗

N2=ceil（[L*Imax/Bmax/Ae*0.01]）;%次级线圈匝数

N1=n*N2;%初级线圈匝数

d=76.5/sqrt（f）;%穿透深度

I2ac=sqrt（I2^2-I2dc^2）;%次级电流交流分量

I1p=I2p/n;%初级峰值电流

I1dc=I1p*D/2;%初级电流平均值

I1=0.577*I1p*sqrt（D）;%初级电流有效值

I1ac=sqrt（I1^2-I1dc^2）;%初级电流交流分量