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