隔离式BUCK之参数计算

设计目标：市电输入、开关频率50KHz、60V 20A 1200W输出、输出电压纹波0.2%、输出电流纹波20%、效率0.8。

1.确定输入电压

经查阅，我国市电电压标准，220V单相供电时，为额定值的+7%，-10%。因此，输入电压范围198VAC-235.4VAC。

2.确定输入电流

式中，Po为开关电源的输出功率，η为电源效率，umin为交流输入电压的最小值，cosφ为开关电源的功率因数。

Po：开关电源设计功率1200W

Umin：市电最低输入198V

η：正常开关电源效率高于80%，这里直接取最低值0.8

cosφ：单相不校正估算0.6 三相不校正估算0.85 校正估算0.95

经过计算得，Irms = 12.6 ≈ 13A。

3.保险管

额定电压：大于输入电压即可。输入电压220V，可选规格250V，300V，350V。

最小额定电流：实际应用中，取值范围是理论值1.5~3倍。这里取2，即2 * 12.6 = 25.2A。

常用尺寸：5*20、6*30、10*38。

最终选型：250V，30A，10*38mm（保险管座同型号）。

4.EMI电路

X电容：在开关电源上面，一般都会使用X2安规电容。两级X电容，前一级用0.47uF,第二级用0.1uF;单级则用0.47uF。

X电容泄放电阻：IEC60950规定1s内电压需下降至37%，IEC60065规定2s内电压需降至35V。如果按照IEC60950，时间常数RC < 1，则前级泄放电阻R < 2.1MΩ，后级泄放电阻R < 10MΩ。

Y电容：从耐压来看只能选择Y1电容。GJB151中规定Y电容的容量应不大于0.1uF；且工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。I = U*(2πf * C) < 0.35mA，经计算C < 4.7nF。

共模电感：额定电流大于平均输入电流12.6A。EMI测试频率，传导150KHz~30MHz，通常可将截止频率设定在fo = 50KHz左右（一般不低于10KHz）；其中C2位Y电容，假设2.2nF；经计算L1 = 4.6mH。

最终选型：X2电容，前一级0.47uF，第二级0.1uF；X电容泄放电阻，700V，820kΩ，500mW；Y1电容，400V，2.2nF；共模电感，20A，5mH。

5.确定母线参数

母线电压：已经确定输入电压198-235.4VAC，则母线电压 = 输入电压 * 1.414，即[279.972 332.8556]。

最小等效电阻：（最小母线电压 ^ 2） / （最大输出功率 / 效率），经计算为52.2562139Ω。

脉动周期：市电50Hz，经过整流桥整流后频率为100Hz。即脉动周期为0.01S。

母线电压波动：目标值设定为，下降不得小于90%。

预充时间：目标值设定为10-20S，充到295.45V（95%）。

6.母线电容

耐压：峰值电压 * 1.2（余量） = 332.8556 * 1.2 = 399.42672V

容量：e ^ ((-1 * t) / (R * C)) > 电压波动，其中t为脉动周期、R为等效电阻。经计算得，C > 1816.2857338μF。

最终选型：耐压450V，容量680uF，并联数4。（容量误差±20%，因此C > 2270μF）。

7.预充电阻

耐压：最大输入电压，即235.4V。

阻值：经过simulink仿真，已选定电容情况下，约1500Ω时充电时间10~20S（误差5%）。

瞬间功率：水泥电阻瞬时功率大约是额定功率的10倍。即瞬时功率 = (Umax ^ 2) / R，其中Umax为最大峰值电压(235.4*1.414)、R为预充电阻(1500*0.95)。经计算得，77.75W，即额定功率为7.775W。

最终选型：耐压750V，阻值750Ω，功率5W，串联数2。

8.预充继电器

额定电压：最大输入电压，即235.4V。
额定电流：输入电流12.6A。

最终选型：额定电压250VAC，额定电流15A。

9.输入整流桥

正向电流：峰值电流 * 1.2（余量），即12.6 * 1.414 * 1.2 = 21.38A

反向耐压：峰值电压 * 1.2（余量） * 2（防漏电流系数），即235.4 * 1.414 * 1.2 * 2 = 798.85V

最终选型：正向电流35A，反向耐压1000V。

10.隔离变压器

频率：50KHz

初级最小电压：最小母线电压 * 0.9 = 251.9748V

初级最大电压：最大母线电压 = 332.8556V

匝比：3.5:1

次级最大电流：Ioutmax * (1 + 20% / 2)，其中Ioutmax为最大输出电流，20%为纹波系数。经计算得，22A。

11.全桥MOS

漏源额定电压：峰值电压 * 1.5（余量） = 235.4 * 1.414 * 1.5 = 499.2834V

额定电流：Its2 / Nts * 4（余量），其中Its2为变压器次级最大电流、Nts为匝比。经计算得，25.1A。

最终选型：漏源电压600V、连续漏极电流48A。

12.栅极驱动电阻和栅极泄放电阻

栅极驱动电阻：开关周期20us，可以将上升时间确定为500ns。通过查MOS管手册Qg = 67nC。根据Q = I * T，计算得I = 0.134A。由于栅极驱动电压为12V，则栅极驱动电阻小于12 / 0.134 ≈ 90Ω。

栅极泄放电阻：5-10KΩ

13.输出整流桥

正向电流：(Imax + (Imax * 20% / 2)) * 1.2，其中Imax为最大电流、20%为纹波系数、1.2为余量。经计算得26.4A。

反向耐压：峰值电压 * 1.2（余量） * 2（防漏电流系数） = 332.8556 / 3.5 * 1.2 * 2 = 228.2V。

反向恢复时间：几十uS

最终选型：快恢复二极管，正向电流60A，反向耐压600V。

14.输出滤波电路

电流纹波小于20%：(Uin - Uout) / L * (Uout / Uin) * T < Imax * 20%

Uin：变压器次级电压

Uout：输出电压

L：电感量

T：脉动周期

Imax：最大输出电流

对上式进行变换L > ((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

首先，当Uin =Uinmax时，((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)

其次，当Uout = Uin / 2时，((Uin - Uout) * (Uout / Uin) * T) / (Imax * 20%)最大

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

经过计算得，L > 59.4385uH

电压纹波小于0.2%：纹波电压 = Vesr + Vc < Vmax * 0.2%

Vesr：电容ESR纹波电压

Vc：电容充放电纹波电压

Vmax：最大输出电压

其中，Vesr = 电流纹波 * ESR

Vc = Q / C = （1 / C） * ∫Icdt。电感电流中，平均电流上面包围的面积为充电，面积为(1 / 2) * (电流纹波 / 2) * (T / 2)。

因此，纹波电压 = 电流纹波 * ESR + (电流纹波 * T) / (8 * C) 即电流纹波 * (ESR + T / (8 * C))

当电容N并联后，纹波电压 = 电流纹波 * (单体ESR + T / (8 * C单体)) / N

假负载损耗小于5%：Umax ^ 2 / R < Pout * 0.05，经计算R > 60Ω

Umax：最大输出电压60V

R：假负载阻值

Poutmax：输出功率1200W

滤波电感：电感 * 1.3（余量） = 59.4 * 1.3 = 77.2uH；

次级最大电流 * 1.3(温升余量) = 22 * 1.3 = 28.6A。

滤波电容：峰值电压 * 1.2（余量） = 60 * (1 + 0.2% / 2) * 1.2 = 72.072V

最大耐电流纹波 * 纹波补正系数 * N < 电流纹波

以红宝石ZLH系列，耐压100V电容为例。（其中T为10us，电流纹波4A）

假负载：峰值电压 * 1.1（余量） = 60 * (1 + 0.2% / 2) * 1.1 = 66.066V

保证电源一直处于CCM模式 (2 * L) / (R * T) > 1，即L / R > 5 * 10 ^ -6。

如果电感选择77.2uH，则R < 15.44Ω；则不能满足R > 60Ω（假负载最低功耗要求）。

因此，我们考虑加大电感量；假设假负载选择60Ω，则L > 300uH。

最终选型：电感300uH，30A；电容220uF，并联数3，100V，ESR 0.06Ω，耐纹波电流1620mA；假负载470Ω，并联数8，750V，额定功率10W。

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