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整流滤波电路和钳位保护电路的设计

作者:时间:2011-11-10来源:网络收藏

  本文介绍输入器及的设计,包括输入桥的选择、输入电容器的选择、漏极的设计等内容,讲解图文并茂且附实例计算。

  1 输入桥的选择

  1)整流桥的导通时间与选通特性

  50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1,再通过输入电容得到直流高压U1。在理想情况下,整流桥的导通角本应为180°(导通范围是从 0°~180°),但由于滤波电容器C的作用,仅在接近交流峰值电压处的很短时间内,才有输入电流流经过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为 10ms,整流桥的导通时间tC≈3ms,其导通角仅为54°(导通范围是36°~90°)。因此,整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原 理如图1(a)所示,整流滤波电压及整流电流的波形分别如图l(b)和(c)所示。

  最后总结几点:

  (1)整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30%。

  (2)整流二极管的一次导通过程,可视为一个“选通脉冲”,其脉冲重复频率就等于交流电网的频率(50Hz)。

  (3)为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声,有时用两只普通硅整流管(例如1N4007) 与两只快恢复二极管(如FR106)组成整流桥,FRl06的反向恢复时间trr≈250ns。

  整流滤波电压和整流电流的波形

  2)整流桥的参数选择

  隔离式开关电源一般采用由整流管构成的整流桥,亦可直接选用成品整流桥,完成桥式整流。全波桥式整流器简称硅整流桥,它是将四只硅整流管接成桥路形式,再用塑料封装而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点,可广泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端,其中交流输入端、直流输出端各两个。

  硅整流桥的最大整流电流平均值分0.5~40A等多种规格,最高反向工作电压有50~1000V等多种规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上,大、中功率硅整流桥则要用螺钉固定,并且需安装合适的散热器。

  整流桥的主要参数有反向峰值电压URM(V),正向压降UF(V),平均整流电流Id(A),正向峰值浪涌电流IFSM(A),最大反向漏电流 IR(μA)。整流桥的反向击穿电压URR应满足下式要求:

  整流滤波电路和钳位保护电路的设计

  举例说明,当交流输入电压范围是85~132V时,umax=132V,由式(1)计算出UBR=233.3V,可选耐压400V的成品整流桥。对于宽范 围输入交流电压,umax=265V,同理求得UBR=468.4V,应选耐压600V的成品整流桥。需要指出,假如用4只硅整流管来构成整流桥,整流管 的耐压值还应进一步提高。辟如可选1N4007(1A/1000V)、1N5408(3A/1000V)型塑封整流管。这是因为此类管子的价格低廉,且按 照耐压值“宁高勿低”的原则,能提高整流桥的安全性与可靠性。

  设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定的有效值电流为IBR,应当使IBR≥2IRMS。计算IRMS的公式如下:

  计算IRMS的公式

  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,允许cosφ=0.5~0.7。由于整 流桥实际通过的不是正弦波电流,而是窄脉冲电流(参见图1),因此整流桥的平均整流电流Id 例如,设计一个7.5V/2A(15W)开关电源,交流输入电压范围是85~265V,要求η=80%。将Po=15W、η=80%、umin=85V、 cosψ=0.7一并代入(2)式得到,IRMS=0.32A,进而求出Id=0.65×IRMS=0.21A。实际选用lA/600V的整流桥,以留出 一定余量。

  2 输入滤波电容器的选择

  1)输入滤波电容器容量的选择

  为降低整流滤波器的输出纹波,输入滤波电容器的容量CI必须选的合适。令每单位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量 (μF)的比例系数为k,当交流电压 u=85~265V时,应取k=(2~3)μF/W;当交流电压u=230V(1±15%)时,应取k=1μF/W。输入滤波电容器容量的选择方法详见附 表l,Po为开关电源的输出功率。

  滤波器容量的选择

  2)准确计算输入滤波电容器容量的方法

输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CI值选得过低,会使UImin值大大降低,而输入脉动电压UR却升 高。但CI值取得过高,会增加电容器成本,而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CI准确值的方法。

  设交流电压u的最小值为umin。u经过桥式整流和CI滤波,在u=umin情况下的输入电压波形如图2所示。该图是在Po=POM,f=50Hz、整流桥的导通时间tC=3ms、η=80%的情况下绘出的。由图可见,在直流高压的最小值UImin上还叠加一个幅度为UR的一次侧脉动电压,这是CI在充放 电过程中形成的。欲获得CI的准确值,可按下式进行计算:

  整流滤波电路和钳位保护电路的设计

  举例说明,在宽范围电压输入时,umin=85V。取UImin=90V,f=50Hz,tC=3ms,假定Po=30W,η=80%,一并带入(3)式 中求出CI=84.2μF,比例系数CI/PO=84.2μF/30W=2.8μF/W,这恰好在(2~3)μF/W允许的范围之内。

  整流滤波电路和钳位保护电路的设计

  3 漏极的设计

  对反激式开关电源而言,每当功率开关管(MOSFET)由导通变成截止时,在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感(即漏磁产生的自感)而形成的,它与直流高压UI和感应电压UOR叠加在MOSFET的漏极上,很容易损坏MOSFET。为此,必须在增加 漏极钳位保护电路,对尖峰电压进行钳位或者吸收。

  1)漏极上各电压参数的电位分布

  下面分析输入直流电压的最大值UImax、一次绕组的感应电压UOR、钳位电压UB与UBM、最大漏极电压UDmax、漏一源击穿电压U(BR)DS这6 个电压参数的电位分布情况,使读者能有一个定量的概念。对于TOPSwitch—XX系列单片开关电源,其功率开关管的漏一源击穿电压 U(BR)DS≥700V,现取下限值700V。感应电压UOR=135V(典型值)。本来钳位二极管的钳位电压UB只需取135V,即可将叠加在UOR 上由漏感造成的尖峰电压吸收掉,实际却不然。手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管(即瞬态电压抑制器TVS)还 具有正向温度系数,它在高温、大电流条件下的钳位电压UBM要远高于UB。实验表明,二者存在下述关系:

  整流滤波电路和钳位保护电路的设计

  这表明UBM大约比UB高40%。为防止钳位二极管对一次侧感应电压UOR也起到钳位作用,所选用的TVS钳位电压应按下式计算:

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