電感電容計(jì)算

紋波電流的大小同樣會影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設(shè)定為最大輸出電流的10%~30%，因此對降壓型電源來說，流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%。降壓型開關(guān)電源的電感選擇為降壓型開關(guān)電源選擇電感器時(shí)，需要確定最大輸入電壓、輸出電壓、電源開關(guān)頻率、最大紋波電流、占空比。下面以圖2為例說明降壓型開關(guān)電源電感值的計(jì)算，首先假設(shè)開關(guān)頻率為300kHz、輸入電壓范圍12V±10%、輸出電流為1A、最大紋波電流300mA。大電感開關(guān)蜂克二極管輸入電壓12V--大電感開關(guān)蜂克二極管輸入電壓12V--摞輸出電壓5V圖2:降壓型開關(guān)電源的電路圖。最大輸入電壓值為13.2V，對應(yīng)的占空比為：D=Vo/Vi=5/13.2=0.379(3)其中，Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器上的電壓為:V=Vi-Vo=8.2V(4)當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感器上的電壓為：V=-Vo-Vd=-5.3V(5)dt=D/F(6)把公式2/3/6代入公式2得出:8.2x0379

300x|0lx03

升壓型開關(guān)電源的電感選擇對于升壓型開關(guān)電源的電感值計(jì)算，除了占空比與電感電壓的關(guān)系式有所改變外，其它過程跟降壓型開關(guān)電源的計(jì)算方式一樣。以圖3為例進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)開關(guān)頻率為300kHz、輸入電壓范圍5V+10%、輸出電流為500mA、效率為80%，則最大紋波電流為450mA，對應(yīng)的占空比為：二極管D=1—Vi/Vo=1—5.5/12=0.542(7)二極管大電感—輸入電壓—輸入電壓—5V一輸出 輸出電壓 電容12V圖3：升壓型開關(guān)電源的電路圖。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器上的電壓為:V=Vi=5.5V(8)當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感器上的電壓為:V=Vo+Vd—Vi=6.8V(9)把公式6/7/8代入公式2得出:300：xlO\0.45請注意，升壓電源與降壓電源不同，前者的負(fù)載電流并不是一直由電感電流提供。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流經(jīng)過開關(guān)管流入地，而負(fù)載電流由輸出電容提供，因此輸出電容必須有足夠大的儲能容量來提供這一期間負(fù)載所需的電流。但在開關(guān)管關(guān)斷期間，流經(jīng)電感的電流除了提供給負(fù)載，還給輸出電容充電。開關(guān)電源中的電感確定：開關(guān)頻率低，由于開和關(guān)的時(shí)間都比較長，因此為了輸出不間斷的需要，需要把電感值加大點(diǎn)，這樣可以讓電感可以存儲更多的磁場能量。同時(shí)，由于每次開關(guān)比較長，能量的補(bǔ)充更新沒有如頻率高時(shí)的那樣及時(shí)，從而電流也就會相對的小點(diǎn)。這個原理也可以用公式來說明：L=(dt/di)*uLD=Vo/Vi，降壓型占空比 D=1-Vi/Vo，升壓型占空比dt=D/F，F(xiàn)=開關(guān)頻率di=電流紋波所以得L=D*uL/(F*di)，當(dāng)F開關(guān)頻率低時(shí)，就需要L大一點(diǎn)；同意當(dāng)L設(shè)大時(shí)，其他不變情況下，則紋波電流di就會相對減小在高的開關(guān)頻率下，加大電感會使電感的阻抗變大，增加功率損耗，使效率降低。同時(shí)，在頻率不變條件下，一般而言，電感值變大，輸出紋波會變小，但電源的動態(tài)響應(yīng)(負(fù)載功耗偶爾大偶爾小，在大小變化之間相應(yīng)慢)也會相應(yīng)變差，所以電感值的選取可以根據(jù)電路的具體應(yīng)用要求來調(diào)整以達(dá)到最理想效果二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10QT00Q，電容取4.7pF-2.2nF。電容計(jì)算C=1/8f*(U0/I0-Resr)U0=(10mv~100mv)I0=(0.2~0.4)I高頻變壓器以一個60W的實(shí)例來進(jìn)行講解：輸入條件：電壓范圍：176~265Vac50/60HzPF》0.95THD《25%效率ef〉0.87輸出條件：輸出電壓：48V輸出電流：1.28A第一步：選擇ic和磁芯:Ic用士蘭的SA7527，輸出帶準(zhǔn)諧振，效率做到0.87應(yīng)該沒有問題。按功率來選擇磁芯，根據(jù)以下公式：Po=100*Fs*VePo：輸出功率；100：常數(shù)；Fs：開關(guān)頻率；Ve:磁芯體積。在這里，Po=Vo*Io=48*1.28=61.44；工作頻率選擇：50000Hz；則:Ve=Po/(100*50000)=61.4/(100*50000)=12280mmmPQ3230的Ve值為：11970.00mmm，這里由于是調(diào)頻方式工作。完全可以滿足需求。可以代入公式去看看實(shí)際需要的工作頻率為：51295Hz。第二步：計(jì)算初級電感量。最小直流輸入電壓：VDmin=176*1.414=249V。最大直流輸入電壓：VDmax=265*1.414=375V。最大輸入功率：Pinmax=Po/ef=61.4/0.9=68.3W(設(shè)計(jì)變壓器時(shí)稍微取得比總效率高一點(diǎn))。最大占空比的選擇：寬電壓一般選擇小于0.5，窄電壓一般選擇在0.3左右。考慮到MOS管的耐壓，一般不要選擇大于0.5，220V供電時(shí)選擇0.3比較合適。在這里選擇：Dmax=0.327。最大輸入電流：Iinmax=Pin/Vinmin=68.3/176=0.39A最大輸入峰值電流：Iinmaxp=Iin*1.414=0.39*1.414=0.55AMOS管最大峰值電流：Imosmax=2*Iinmaxp/Dmax=2*0.55/0.327=3.36A初級電感量：Lp=Dmax人2*Vin_min/(2*Iin_max*fs_min)=0.327*0.327*176/(2*0.39*50000)=482.55uH取500uH。第三步：計(jì)算初級匝數(shù)NP：查磁芯資料，PQ3230的AL值為：5140nH/NS，在設(shè)計(jì)反激變壓器時(shí)，要留一定的氣息。選擇0.6倍的AL值比較合適。在這里AL我們?nèi)。篈L=2600nH/NA2則:NP=(500/0.26)人0.5=44第四步：次級匝數(shù)NS：VOR=VDmin*Dmax=249*0.327=81.4

匝比n=VOR/Vo=81.4/48=1.696NS=NP/n=44/1.686=26第五步：計(jì)算輔助繞組NA查看IC的datasheet,知道VCC為11.5~30V。在這選16V。Lrd-rj『WmH工NA=NS/（Vo*VCC）=26/（48/16Lrd-rj『WmH工一5—/nTOC\o"1-5"\h\z ——— —~也紋扁盅中M rH#我:卬："Mgn#4筆?M：官耐齊"3 I'S『1乙L" 毒3$4-f）-廳小5繞法：LED照明電源單級PFC高頻變壓器設(shè)計(jì)總結(jié)通過樣品的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：整機(jī)效率0.88,PF值：176V時(shí)0.989；220V時(shí)0.984；265V時(shí)0.975。變壓器溫升25K。在整個變壓器設(shè)計(jì)過程中。簡化了一些東西。比如二極管的壓降。對比一下，與一般反激式的變壓器有點(diǎn)一致。只是由于整流橋后沒有接大容量的電解電容。實(shí)際的直流最低電壓沒有1.414倍。185uh（9圈）28.5uh（氣隙2，9圈）20uh（氣隙3，9圈）綠環(huán)13.7uh（10圈）黃白大200uh（繞滿）黃白中l(wèi)l.luh（10圈）黃白小8.9uf（10圈）Ap=Aw*Ae=（Pt*10^4）/（2AB*fs*J*Ku）Ap:變壓器功率容量Aw：磁芯窗口面積Ae：磁芯橫截面接Pt：變壓器的傳遞功率（Pt=Po/n+Po）AB：磁通密度變化量（一般取0.2-0.3）fs：磁芯工作頻率j：電流密度（自冷取4-6，風(fēng)冷取6-10）Ku：窗口的銅填充系數(shù)（一般取0.2-0.5）鐵粉芯磁環(huán)（2材/紅灰環(huán)）-2材的磁導(dǎo)率比其他沒有附加空隙損耗的材料更能降低操作時(shí)的AC通量密度鐵粉芯磁環(huán)（8材/黃紅環(huán)）-8材在高偏流的情況下，磁芯損耗低，并且線性良好，是良好的高頻材料，也是最貴的材料鐵粉芯磁環(huán)（18材/綠紅環(huán)）-18材跟材料-8一樣，磁芯損耗低，但磁導(dǎo)率較高而成本較低，有良好的DC飽和特性鐵粉芯磁環(huán)（26材/黃白環(huán)）-26材最為通行的材料，是一種成本效益最高的一般用途材料，適合功率轉(zhuǎn)換和線路濾波等各種廣泛用途。鐵粉芯磁環(huán)（33材/灰黃環(huán)）-33材是一種可代替材料-8但不昂貴的選擇，適用于高頻率時(shí)磁芯損耗不重要的情況，高偏流時(shí)線性良好。鐵粉芯磁環(huán)（40材/綠黃環(huán)）-40材是最便宜的材料，其特性與最通用的材料-26頗相似，普遍應(yīng)用于較大的尺寸鐵粉芯磁環(huán)（52材/藍(lán)綠環(huán)）-52材在高頻率下磁芯損耗較低，而磁導(dǎo)率與材料-26相同，在新型的高頻抗流器上應(yīng)用廣泛。材質(zhì)性能MATERIALPROPETIES材質(zhì)編號有效磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率溫度系數(shù)（+PP''m/oC）顏色-2675825黃/白-5275650綠/藍(lán)-1855385綠/紅-4060950綠/黃-3333635灰/黃-2822415灰/綠-3885955黑/灰-451001040黑色-835255黃/紅注：有效磁道率僅作參考，磁芯按電感值A(chǔ)L制定。鐵芯：IRONPOWDERCORE，適用于-65oC--+125oC的溫度范圍，當(dāng)鐵芯處于較高的溫度環(huán)境中，會使電感和品質(zhì)因數(shù)“Q”，永久性降低，IRONCORE磁環(huán)特性的偏差程度取決于時(shí)間、溫度、磁芯大小，頻率和磁通量密度等。磁性偏差：磁芯是按列出的額定電感AL值，每種材料有效磁道率，僅作參考，AL值偏差為±10%，測試條件：10KHZ的頻率下環(huán)形鐵芯是均勻分布，單層繞線測試。表面涂裝：我司生產(chǎn)IRONPOWDERCORE是用環(huán)氧樹脂絕緣油漆，耐壓600VMIN。最后對金屬磁粉心應(yīng)用進(jìn)行簡單綜述：Fe粉心-26-52材料主要用在EMI電源濾波器差模電感器；Fe粉心-2-18等材料主要應(yīng)用在音響功放濾波電路，發(fā)射機(jī)濾波電路；Fe粉心-33-34-35 主要應(yīng)用在無源功率因數(shù)校正電路、UPS和EPS電源LC濾波電路（載波頻率20kHz以下）、低頻大功率APFC電路（IGBT作為開關(guān)管，電路頻率在20kHz左右）、大功率光伏并網(wǎng)電站中的APFC電路、DC-DC電路、逆變部分LC濾波電路，變頻器逆變LC濾波電路。FeSIAl磁導(dǎo)率607590125主要應(yīng)用電路是抑制電網(wǎng)諧波的BOOST電源電路，AC-DC電源輸出濾波電路，這是FeSiAl材料最主要的應(yīng)用場合。其實(shí)最主要是APFC催生FeSIAL應(yīng)用和技術(shù)的發(fā)展。磁導(dǎo)率26材料主要應(yīng)用一些大電流場合的APFC電路、AC-DC開關(guān)電源輸出濾波電路，頻率高于20kHz載波的逆變電路LC濾波。FeNiMo 主要應(yīng)用在要求體積比較嚴(yán)格、要求溫升低的高檔AC-DC電源、APFC電路、逆變電源，諧振電路、單端反激變壓器還有軍用場合。FeSi 在開關(guān)頻率200kHz以下大電流APFC電路、開關(guān)電源輸出濾波電路代替FeSiAL、頻率500kHz到2MHz的大電流POL電源電路中作為高功率密度電感器。因?yàn)镕eSi高頻損耗小，成型后不用燒結(jié)所以可以作成壓粉式一體SMD電感器（FeSiAl需要燒結(jié)，因此不能作成一體式壓粉磁心）。大功率超大電流（幾百A上千A）UPS和EPS濾波電感器。0.2.整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源，由于兩個開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個開關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，推挽式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波就可以達(dá)到非常小。圖1-30是橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源工作原理圖，除了整流濾波電路以外，其余部分電路的工作原理基本與圖1-27相同。橋式整流電路由D1、D2、D3、D4組成，C為儲能濾波電容，R為負(fù)載電阻，Uo為直流輸出電壓，Io為流過負(fù)載電阻的電流。圖1-30圖1-31是全波整流輸出的推挽式變壓器開關(guān)電源工作原理圖，同樣，除了整流濾波電路以外，其余部分電路的工作原理基本與圖1-27和圖1-30相同。但開關(guān)變壓器的次級需要多一個繞組，兩個繞組N31、N32輪流輸出電壓；全波整流電路由D1、D2組成，C為儲能濾波電容，R為負(fù)載電阻，Uo為直流輸出電壓，Io為流過負(fù)載電阻的電流。圖1-31圖1-30與圖1-31比較，橋式整流輸出的推挽式變壓器開關(guān)電源比全波整流輸出的推挽式變壓器開關(guān)電源多用兩個整流二極管，但全波整流輸出的開關(guān)變壓器又比橋式整流輸出的開關(guān)變壓器多一組次級線圈。因此，圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源比較適用于輸出電流相對較小的情況；而圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源比較適用于輸出電流相對較大的情況。因?yàn)椋箅娏髡鞫O管成本高，而且損耗功率也比較大。下面我們來詳細(xì)分析圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源和圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理。由于圖1-30橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源或圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源的電壓輸出電路中都接有儲能濾波電容，儲能濾波電容會對輸入脈動電壓起到平滑的作用，因此，圖1-30和圖1-31中輸出電壓Uo都不會出現(xiàn)很高幅度的電壓反沖，其輸出電壓的峰值Up基本上就可以認(rèn)為是半波平均值Upa。其值略大于正激輸出nUi，即：橋式整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源或全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源，整流濾波輸出電壓Uo的值略大于正激輸出nUi，n為變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比。因此，推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要還是由（1-131）式來決定。即：推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo（K1或K2接通期間），約等于開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓Up或Up-的半波平均值Upa或Upa-：uo=Upa=nUi——K1接通期間（1-134）或uo=Upa-=—nUi——K2接通期間（1-135）上式中，uo為推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，n為變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組或N2繞組的匝數(shù)比，Ui為開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組的輸入電壓。圖1-32是橋式整流輸出或全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源，在兩個控制開關(guān)K1和K2交替接通和斷開，且占空比D均等于0.5時(shí)，各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形。圖1-32-a）和圖1-32-b）分別表示控制開關(guān)K1接通時(shí)，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓u1的波形，以及流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流i1波形；圖1-32-c）和圖1-32-d）分別表示控制開關(guān)K2接通時(shí)，開關(guān)變壓器初級線圈N2繞組兩端的電壓u2的波形，以及流過開關(guān)變壓器初級線圈N2繞組兩端的電流i2的波形；圖1-32-e）和圖1-32-f）分別表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時(shí)，開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的波形，以及流過開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形。圖1-32-f）中，虛線箭頭表示反激式輸出電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值；而實(shí)線箭頭表示正激式輸出電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值；因此，兩者同時(shí)作用的結(jié)果，正好輸出一個矩形波。uo圖1=32從圖1-32-e）可以看出，輸出電壓uo雖然還是由兩個部分組成，一部分為輸入電壓Ui通過變壓器初級線圈N1繞組或N2感應(yīng)到次級線圈N3繞組的正激式輸出電壓（uo）；另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組存儲的能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓［uo］；這里反激式輸出電壓［uo］不會再使波形產(chǎn)生反沖，是因?yàn)閮δ転V波電容會把反沖電壓吸收掉，使其成為充電流。由于推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的半波平均值Upa幅值基本上是穩(wěn)定的，它不會像反激式輸出開關(guān)電源那樣，輸出電壓的幅值隨著控制開關(guān)占空比的改變而改變。因此，如果需要調(diào)整推挽式變壓器開關(guān)電源輸出電壓，只能通過改變兩個控制開關(guān)的占空比，來改變輸出電壓的平均值。因此，在輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源電路中，必須要在整流輸出電路后面加接一個LC儲能濾波電路，才能從整流輸出的脈動直流電壓中提取平均值輸出。圖1-33是輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源電路。實(shí)際上圖1-33就是在圖1-31全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)上，在整流輸出電路后面加接了一個LC儲能濾波電路。LC儲能濾波電路的工作原理與圖1-2串聯(lián)式開關(guān)電源中的儲能濾波電路工作原理基本相同。不過，在全波整流輸出的LC儲能濾波電路中可以省去一個續(xù)流二極管，因?yàn)橛糜谌ㄕ鞯膬蓚€二極管可以輪流充當(dāng)續(xù)流二極管的作用。關(guān)于LC儲能濾波電路的詳細(xì)工作原理，請參考《1-2-2.串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路》章節(jié)。由于圖1-33中兩個控制開關(guān)占空比D的可調(diào)范圍很小（小于0.5），并且在一個周期內(nèi)兩個控制開關(guān)均需要接通和關(guān)斷一次，因此，輸出電壓的可調(diào)范圍相對來說要比單激式開關(guān)電源輸出電壓的可調(diào)