有源箝位正激式電路的特點及其參數設計

顏魏偉 儲增永 梁廣和

（1.中國電子科技集團公司 第四十一所，安徽 蚌埠233010；2.天津卷煙廠，中國 天津300163；3.哈爾濱卷煙廠，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引言

在煙草工業電氣設備中， 各種電路板和模塊上的大量集成電路，需要直流5V 電源供電，通常我們用高于5V 的直流電再通過DC-DC三端穩壓模塊變換（一般壓差為2V）得到穩定的5V 電源。實驗室用的電源電流一般只有5A，10A，且體積偏大，不適合安裝。 有源鉗位正激式拓撲電路適合中小功率開關電源的設計，而且結構簡單，性能好，適合在煙草工業電氣設備中使用。

1 有源箝位正激式電路的特點

圖1 有源箝位正激式模型電路

有源鉗位正激變換器拓撲與傳統的單端正激變換器拓撲基本相同，只是增加了輔助開關Qc（帶反并二極管）和儲能電容Cc，且略去了傳統正激變換器的磁恢復電路。開關Q1 和Qc 工作在互補狀態。為了防止開關Q1 和Qc 共態導通， 兩開關的驅動信號間留有一定的死區時間。

采用有源箝位的正激變換器的特點是： 變壓器是雙向對稱磁化的，工作在B-H 回線的第一和第三象限，變壓器得到了充分利用，因此占空比可以大于0.5，而且開關管的電壓應力低，適合與輸入電壓范圍比較寬的應用場合，箝位開關管是零電壓開關的，勵磁能量和漏感能量全部回饋到電網。

2 參數設計

2.1 功率變壓器的設計

1）工作頻率的設定

開關頻率的提高有助于開關電源的體積減小，重量減輕。 開關頻率提高又增加了開關損耗和磁芯損耗。本方案通初步確定工作頻率和最大占空比如下：

工作頻率f=170kHz

最大占空比=75%

2）根據設計輸出功率選擇磁芯

PO=7.5×20=150（W）

考慮有20%裕量和效率，取η=80%，則150×1.2×1.25=225 瓦，選擇一個傳遞功率可達300 瓦的磁芯， 通過Ferroxcube 公司的磁芯手冊，選材料代號為3F3 的錳鋅鐵氧體磁芯，材料的損耗曲線如圖2 所示。比損耗為100Mw/cm3對應磁通密度擺幅為0.09T。這里是第一次選擇磁通密度擺幅。

圖2 比損耗與頻率和峰值磁感應關系 T=100℃

應用面積粗略估計公式：

其中：PO——輸出功率（W）；

ΔB——磁通密度變化量（T）；

fT——變壓器工作頻率（Hz）；

K——0.014(正激變換器)

假定選擇磁芯EE32/6/20，查閱手冊得到Aw=130mm2Ae=130mm2Ve=5380mm3le=41.4mm。AP=1.3×1.3=1.69cm4。 由經驗公式估算EE32型磁芯的熱阻值。 如下

根據最大溫升ΔT，這種電源采用的是工業級場合，有風扇冷卻或空調制冷冷卻方式，所以取50℃，計算允許的損耗：

Plim=ΔT/RE=50/27.6=1.8W

假定磁芯和線圈損耗各一半，即Pclim=0.9W，Plim=0.9W（ 要使能量損耗最小，磁芯損耗應等于線圈損耗。 ）計算磁芯單位體積損耗：Pclim/Ve=0.9/5.38=167mW／cm3（kW／m3），應用這些磁芯損耗值，在所選擇的3F3 材料損耗曲線圖4 上， 由167mW／cm3且頻率170kHZ 得0.105T。（50 度溫升時和絕對允許損耗，允許磁芯比損耗加大。 磁通密度第二次迭代）

則有ΔB=2×0.105=0.21T（相同損耗，單向磁化磁通密度加倍）

3）計算電壓比

電壓比計算的原則是電路在最大占空比和最低輸入電壓的條件下，輸出電壓能達到的上限，考慮到電路的壓降，輸出電壓要有裕量，輸入電壓還有±20%的波動。

Uimin為輸入直流電壓的最小值，應取輸入電壓下限并注意考慮電壓的紋波；Dmax 為最大占空比；Uomax為最高輸出電壓；ΔU 為電路中的壓降，應包含整流二極管的壓降和線路的壓降等。

取Uimin=85×0.8×1.2=82V，Dmax取75%，Uomax取7.5V，ΔU 取0.3V

得到KT≤7.5

4）計算原邊和副邊繞組的匝數

為了保證在任何條件下磁芯不飽和， 設計時應按最大伏-秒面積計算匝數。因為電路中的電壓波形都是方波，所以最大伏-秒面積的計算可以簡化為電壓和脈沖寬度的乘積。 對正激型電路，有

式中，uT2為副邊繞組電壓幅值，Ts為開關周期。

重新計算2 匝時的磁感應變化量和損耗：

ΔB=0.21×1.68/2=0.18（T）（磁通密度第三次迭代）

由磁芯損耗曲線圖4 查得0.18T/2（900GS）時大約為105mW／cm3。磁芯損耗

由以上得出原邊匝數Np=Ns（7.5v）×KT＝2×7.5＝15（匝）

2.2 輸出濾波電路的設計和計算

設計濾波電感應根據輸出電壓，輸出電流和開關頻率，并應首先選定允許的電感感電流最大紋波值，對正激電路有如下公式計算電感值：

其中，L 為濾波電感的值，Uimax為輸入電壓最大值，fs為開關頻率，ΔI 為允許的電感電流最大紋波波峰峰值。 在這里允許的電感電流最大紋波波峰蜂值ΔI 取最大輸出電流的20%，即4A，計算L=0.76μH，根據電感值和流過電感的電流，有如下公式選定電感鐵心：

計算得AeAw≥0.05cm4

這里為了方便使用同種磁芯，也采用EE32/6/20 型磁芯，AP 值滿足，根據查手冊得到，當氣隙δ=0.45mm 時，AL值為400nH，根據AL＝L/N2得，N=1.38 匝，取2 匝。

2.3 箝位電容和開關管的參數設計

為了保證變壓器能夠磁通復位，原邊繞組所加正負電壓伏秒面積必須相等。在輸入電壓最低時，占空比最大，此時用于給變壓器磁復位的時間最短。 為了能夠在最短時間內完成磁復位，那么箝位電容電壓最大值為：

開關管Q1關斷時所承受的電壓為：

箝位電容值的選擇有公式：

3 結束語

開關電源技術的發展趨勢是小型化、輕量化、同時對效率和電磁兼容性有很高的要求，本文介紹的有源箝位正激式電路，能夠實現零電壓軟開關工作模式，從而減少了開關器件和變壓器的功耗，改善了電磁兼容性，在工業上有著廣泛的應用前景。

［1］楊旭，等.開關電源技術[M].機械工業出版社，2004.

［2］趙修科.開關電源中磁性元器件[M].電子工業出版社，2004.

［3］張占松，蔡宣三.開關電源的原理和設計[M].電子工業出版社，1998.

［4］Ferroxcube 公司磁芯使用手冊[Z].2004.