設計目標：市電輸入、開關頻率50KHz、60V 20A 1200W輸出、輸出電壓紋波0.2%、輸出電流紋波20%、效率0.8。

1.確定輸入電壓

經查閱，我國市電電壓標準，220V單相供電時，為額定值的+7%，-10%。因此，輸入電壓范圍198VAC-235.4VAC。

2.確定輸入電流

式中，Po為開關電源的輸出功率，η為電源效率，umin為交流輸入電壓的最小值，cosφ為開關電源的功率因數。

Po：開關電源設計功率1200W

Umin：市電最低輸入198V

η：正常開關電源效率高于80%，這里直接取最低值0.8

cosφ：單相不校正估算0.6 ?三相不校正估算0.85 ?校正估算0.95

經過計算得，Irms =?12.6 ≈ 13A。

3.保險管

額定電壓：大于輸入電壓即可。輸入電壓220V，可選規格250V，300V，350V。

最小額定電流：實際應用中，取值范圍是理論值1.5~3倍。這里取2，即2 * 12.6 = 25.2A。?

常用尺寸：5*20、6*30、10*38。

最終選型：250V，30A，10*38mm（保險管座同型號）。

4.EMI電路

X電容：在開關電源上面，一般都會使用X2安規電容。兩級X電容，前一級用0.47uF,第二級用0.1uF;單級則用0.47uF。

X電容泄放電阻：IEC60950規定1s內電壓需下降至37%，IEC60065規定2s內電壓需降至35V。如果按照IEC60950，時間常數RC < 1，則前級泄放電阻R <?2.1MΩ，后級泄放電阻R <?10MΩ。

Y電容：從耐壓來看只能選擇Y1電容。GJB151中規定Y電容的容量應不大于0.1uF；且工作在亞熱帶的機器,要求對地漏電電流不能超過0.7mA;工作在溫帶的機器,要求對地漏電電流不能超過0.35mA。I = U*(2πf * C) < 0.35mA，經計算C <?4.7nF。

共模電感：額定電流大于平均輸入電流12.6A。EMI測試頻率，傳導150KHz~30MHz，通常可將截止頻率設定在fo = 50KHz左右（一般不低于10KHz）；其中C2位Y電容，假設2.2nF；經計算L1 =?4.6mH。

最終選型：X2電容，前一級0.47uF，第二級0.1uF；X電容泄放電阻，700V，820kΩ，500mW；Y1電容，400V，2.2nF；共模電感，20A，5mH。

5.確定母線參數

母線電壓：已經確定輸入電壓198-235.4VAC，則母線電壓 = 輸入電壓 * 1.414，即[279.972 332.8556]。

最小等效電阻：（最小母線電壓 ^ 2） / （最大輸出功率 / 效率），經計算為52.2562139Ω。

脈動周期：市電50Hz，經過整流橋整流后頻率為100Hz。即脈動周期為0.01S。

母線電壓波動：目標值設定為，下降不得小于90%。

預充時間：目標值設定為10-20S，充到295.45V（95%）。

6.母線電容

耐壓：峰值電壓 * 1.2（余量） =?332.8556 * 1.2 =?399.42672V

容量：e ^ ((-1 * t)?/ (R?* C)) > 電壓波動，其中t為脈動周期、R為等效電阻。經計算得，C >?1816.2857338μF。

最終選型：耐壓450V，容量680uF，并聯數4。（容量誤差±20%，因此C > 2270μF）。

7.預充電阻

耐壓：最大輸入電壓，即235.4V。

阻值：經過simulink仿真，已選定電容情況下，約1500Ω時充電時間10~20S（誤差5%）。

瞬間功率：水泥電阻瞬時功率大約是額定功率的10倍。即瞬時功率 = (Umax ^ 2)?/ R，其中Umax為最大峰值電壓(235.4*1.414)、R為預充電阻(1500*0.95)。經計算得，77.75W，即額定功率為7.775W。

最終選型：耐壓750V，阻值750Ω，功率5W，串聯數2。

8.預充繼電器

額定電壓：最大輸入電壓，即235.4V。
額定電流：輸入電流12.6A。

最終選型：額定電壓250VAC，額定電流15A。

9.輸入整流橋

正向電流：峰值電流 * 1.2（余量），即12.6 * 1.414 * 1.2 =?21.38A

反向耐壓：峰值電壓 * 1.2（余量） * 2（防漏電流系數），即235.4 * 1.414 * 1.2 * 2 = 798.85V

最終選型：正向電流35A，反向耐壓1000V。

10.隔離變壓器

頻率：50KHz

初級最小電壓：最小母線電壓 * 0.9 =?251.9748V

初級最大電壓：最大母線電壓 =?332.8556V

匝比：3.5:1

次級最大電流：Ioutmax * (1 + 20% / 2)，其中Ioutmax為最大輸出電流，20%為紋波系數。經計算得，22A。

11.全橋MOS

漏源額定電壓：峰值電壓 * 1.5（余量） = 235.4 * 1.414 * 1.5 = 499.2834V

額定電流：Its2 /?Nts?* 4（余量），其中Its2為變壓器次級最大電流、Nts為匝比。經計算得，25.1A。

最終選型：漏源電壓600V、連續漏極電流48A。

12.柵極驅動電阻和柵極泄放電阻

柵極驅動電阻：開關周期20us，可以將上升時間確定為500ns。通過查MOS管手冊Qg =?67nC。根據Q = I * T，計算得I?=?0.134A。由于柵極驅動電壓為12V，則柵極驅動電阻小于12 / 0.134 ≈?90Ω。

柵極泄放電阻：5-10KΩ

?13.輸出整流橋

正向電流：(Imax + (Imax * 20% / 2)) * 1.2，其中Imax為最大電流、20%為紋波系數、1.2為余量。經計算得26.4A。?

反向耐壓：峰值電壓 * 1.2（余量） * 2（防漏電流系數） = 332.8556 / 3.5 * 1.2 * 2 = 228.2V。

反向恢復時間：幾十uS

最終選型：快恢復二極管，正向電流60A，反向耐壓600V。

14.輸出濾波電路

電流紋波小于20%：(Uin - Uout) / L ?* (Uout / Uin) * T < Imax * 20%

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Uin：變壓器次級電壓

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Uout：輸出電壓

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?L：電感量

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?T：脈動周期

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Imax：最大輸出電流

? ? ? ? 對上式進行變換L > ((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

? ? ? ? ? ? 首先，當Uin =Uinmax時，((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

? ? ? ? ? ? 其次，當Uout = Uin / 2時，((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)最大

? ? ? ? ? ? 因此，L > ((Uinmax / 4) * T) / (Imax * 20%)時即可

? ? ? ? ? ? 經過計算得，L > 59.4385uH

電壓紋波小于0.2%：紋波電壓 = Vesr + Vc < Vmax * 0.2%

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vesr：電容ESR紋波電壓

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vc：電容充放電紋波電壓

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vmax：最大輸出電壓

? ? ? ? 其中，Vesr = 電流紋波 * ESR

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Vc = Q / C = （1 / C） * ∫Icdt。電感電流中，平均電流上面包圍的面積為充電，面積? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?為(1 / 2) * (電流紋波 / 2) * (T / 2)。

? ? ? ? 因此，紋波電壓 = 電流紋波 * ESR + (電流紋波 * T) / (8 * C) 即電流紋波 * (ESR + T / (8 * C))

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?當電容N并聯后，紋波電壓 = 電流紋波 * (單體ESR + T / (8 * C單體)) / N

假負載損耗小于5%：Umax ^ 2 / R < Pout?* 0.05，經計算R > 60Ω

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??Umax：最大輸出電壓60V

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? R：假負載阻值

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??Poutmax：輸出功率1200W

濾波電感：電感 * 1.3（余量） = 59.4?* 1.3 = 77.2uH；

? ? ? ? ? ? ? ? ? 次級最大電流 * 1.3(溫升余量) = 22 * 1.3 = 28.6A。

濾波電容：峰值電壓 * 1.2（余量） = 60 * (1 + 0.2% / 2) * 1.2 = 72.072V

? ? ? ? ? ? ? ? ??最大耐電流紋波 * 紋波補正系數 * N < ?電流紋波

? ? ? ? 以紅寶石ZLH系列，耐壓100V電容為例。（其中T為10us，電流紋波4A）

假負載：峰值電壓 * 1.1（余量） = 60 * (1 + 0.2% / 2) * 1.1 = 66.066V

? ? ? ? ? ? ? 保證電源一直處于CCM模式?? ?(2 * L) / (R * T) > 1，即L / R > 5 * 10 ^ -6。

? ? ? ? ? ? ? 如果電感選擇77.2uH，則R <?15.44Ω；則不能滿足R > 60Ω（假負載最低功耗要求）。

? ? ? ? ? ? ? 因此，我們考慮加大電感量；假設假負載選擇60Ω，則L > 300uH。

最終選型：電感300uH，30A；電容220uF，并聯數3，100V，ESR 0.06Ω，耐紋波電流1620mA；假負載470Ω，并聯數8，750V，額定功率10W。

總結

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