电力电子课程设计

课程设计说明书。

课程设计名称电力电子。

题目：输出9v、3w单片开关电源模块的。

高频变压器的设计。

二级学院(直属学部)：电子信息与电气工程学院

专业：电气工程及其自动化班级： 0

学生姓名学号：

指导老师姓名职称。

2023年1月18日。

目录。一、单片开关电源设计概述2-

二、高频变压器的设计3-

1、开关电源的基本参数的确定3-

2、初级电流波形参数的确定3-

3、变压器初级绕组参数设计5-

4、变压器次级绕组参数设计7-

5、电压极限参数的设计8-

三、数据表、电路图10-

四、总结13-

五、参考文献13-

一、单片开关电源设计概述。

单片开关电源不仅在整机电路设计、高频变压器设计、反馈电路、保护电路和关键元器件的选择方面有许多独到之处，而且特别适合用计算机来完成整个开关电源的设计工作，这已成为国际电源领域的一项新技术。

单片开关电源有两种基本工作模式，如图1.1所示：一种是连续模式cum（continuousmode）如图（a），另一种是不连续模式，如图（b）。

图1.1 两种模式的开关电流波形。

由图可见，在连续模式下，初级电流是从一定幅度开始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其开关电流波形呈梯形。这表明在连续模式下，由于储存在高频变压器的能量在每个开关周期内并未全部释放掉，因此下一个开关周期具有一个初始能量。

采用连续模式可减小初级峰值电流ip和有效值电流irms，降低芯片的初级开关功耗。但连续模式要求增大初级电感量lp，这会导致高频变压器的体积增大。综上所述，连续模式适用于功率较小的topswitch和尺寸较大的高频变压器。

不连续模式的开关电流是从零开始上升到峰值，再降至零的。这就意味着储存在高频变压器中的能量必须在每个开关周期内完全释放掉，其开关电流波形呈三角形。不连续模式下的ip、irms值较大，但所需要的lp较小。

因此，它适合于采用输出功率较大的topswitch，配尺寸较小的高频变压器。

单片开关电源反馈电路的四种基本类型：

1）基本反馈电路；

2）改进型基本反馈电路；

3）配稳压管的光耦反馈电路；

4）配tl431的光耦反馈电路。

二、高频变压器的设计。

1、开关电源的基本参数确定。

1）根据表2.1，交流输入电压最小值：umin=85v。

2）根据表2.1，交流输入电压最大值：umax=265v。

表2.1根据交流输入电压范围确定umin、umax值。

3）电网频率fl：50hz

4）开关频率f：100khz。

5）输出电压uo（v）：9v。

6）输出功率po（w）：3w。

7）电源效率η： 80％

8）损耗因数z： 0.5。

2、初级电流波形参数的确定。

1）根据表2.2，选择配稳压管的光耦反馈电路，反馈电压ufb=12v。

表2.2 反馈电路的类型及ufb参数值。

2）根据u=12v、po=8w来确定输入滤波电容cin、直流输入电压最小值uimin

a、令整流桥的响应时间tc=3ms。

b、根据表2.3中，cin=(2～3）×po=(2～3）×8=16～24。（取20）

c、根据表2.3中，得到uimin=90。

表2.3 确定cin、uimin的值。

3）根据表2.4中查出uor=135v、ub=200v。

表2.4 确定uor、ub值。

4）根据uimin=90v、uds（on）=10v和uor=135v来确定最大占空比dmax

5）根据表2.5，取krp=0.4

表2.5 确定krp

6）初级波形参数。

a、输入电流的平均值： i**g=p0/(ηuimin)=3/(0.8×90)=0.04a

b、初级峰电：

c、初级脉动电流：ir=krp×ip= 0.4×0.04=0.016a

d、初级有效值电流。

=0.07a

7）根据电子数据**和所需ip=0.08a值，选择topswitch芯片

a、所选极限电流最小值ilimit(min)应满足 0.9ilimit(min)≥ip=0.04a

8）计算芯片的结温tj

a、计算结温+25℃

b、计算过程中若发现tj>100℃，应选功率较大的topswitch芯片。

9）验算ip ：输入新的krp值且从最小值开始迭代，直到 krp=1.0。

3、变压器初级绕组参数设计。

1）计算初级电感量

16479.49（μh）。

2）选择磁芯与骨架并确定相关参数

当时可供选择的铁氧体磁心型号，用常规漆包线绕制。

型号：ee20型磁心。

有效截面积（sj）：98

有效磁路长度（l）：47.1mm

等效电感（al）：

骨架宽度（b）:8.43mm

3）设定初级层数d和次级匝数ns的初始值

设定d=2层。当u=85v～265v时取ns=0.6匝，u0=9v，uf1=0.4v

次级匝数为ns=(uo＋uf1)×0.6=(9+0.4)×0.6=5.64匝（取6匝）

4）计算初级匝数取87匝）

5）计算反馈绕组匝数（取8匝)

6）根据初级层数d=2、骨架宽度b=8.43和安全边距m=3

有效骨架宽度：be=d(b－2m)mm=2×(8.42-2×3)=4.86mm

初级导线的外径（带绝缘层）：mm

扣除漆皮后裸导线的内径：dpm=0.046mm。

7）验证初级导线的电流密度j是否满足初级有效值电流irms=0.07a

条件因为j>10a/mm2，所以选较粗的导线和较大的磁芯骨架，使j<10a/mm2。

8）计算磁芯中的最大磁通密度

ip=0.08a，lp=5810.95μh，np=87匝，sj=98

因为bm>0.3t，所以需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数，使bm在0.2～0.3t范围之内。

9）计算磁芯的气隙宽度δ

sj=98，np=87匝，lp=16479.49μh,al=1700μh／匝。

0.051mm

10）计算留有气隙时磁芯的等效电感 (lp=16479.49μh，np=87匝)

4、变压器次级绕组参数设计。

1）计算次级峰值电流isp （ip=0.08a，np=87匝，ns=6）

2）计算次级有效值电流isrms (isp=2.39a，dmax=62%％，krp=0.4)

3）计算输出滤波电容上的纹波电流iri(isrms=2.39a)

4）最后计算次级裸导线直径（isrms=0.58a，j=42.34）

5、电压极限参数的设计。

1）次级整流管、反馈电路整流管的最高反向峰值电压：u（br）s、u（br）fb

可知=9v，uimax =265v，=6匝，=87匝，=12v，=8匝。

2）选择钳位二极管和阻塞二极管

见表2.6。对于低功率的top200、top201、top210型单片开关电源，可选ub=180v的瞬变电压抑制器。

表2.6选择钳位二极管和阻塞二极管。

3）选择输出整流管

输出整流管宜采用肖特基二极管，此类管子的压降低、损耗小，能提高电源效率。要求管子的最高反向工作电压urm≥2u（br）s=54.6v；其标称电流if1≥3io=1a

4）利用步骤21得到的iri，选择输出滤波电容cout

a、滤波电容在khz时的纹波电流应≥iri=0.86a。

b、要选择等效串联电阻很低的电解电容器。输出的纹波电压uri由下式决定： uri=isp·r0

c、为减小大电流输出时的纹波电流iri，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容总的r0值和等效电感l0。

d、cout的容量与最大输出电流iom有关。

5）当输出端的纹波电压超过规定值时，应再增加一级lc滤波器

a、滤波电感l=2.2μh～4.7μh。当iom小于 1a时可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠；大电流时须选用磁环绕制而成的扼流圈。

b、为减小l上的压降，宜选较大些的滤波电感，通常可取l=3.3μh。

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