有源箝位正激式电路的特点及其参数设计
【摘要】有源钳位正激式电路非常适合中小功率开关电源的设计。
本文介绍了有源箝位正激式电路的技术特点，并且举例计算了其主要元器件参数。
【关键词】开关电源；有源箝位正激；参数设计
0 引言
在烟草工业电气设备中，各种电路板和模块上的大量集成电路，需要直流5v电源供电，通常我们用高于5v的直流电再通过dc-dc 三端稳压模块变换（一般压差为2v）得到稳定的5v电源。
实验室用的电源电流一般只有5a，10a，且体积偏大，不适合安装。
有源钳位正激式拓扑电路适合中小功率开关电源的设计，而且结构简单，性能好，适合在烟草工业电气设备中使用。
1 有源箝位正激式电路的特点
图1 有源箝位正激式模型电路
有源钳位正激变换器拓扑与传统的单端正激变换器拓扑基本相同，只是增加了辅助开关qc（带反并二极管）和储能电容cc，且略去了传统正激变换器的磁恢复电路。
开关q1和qc工作在互补状态。
为了防止开关q1和qc共态导通，两开关的驱动信号间留有一定的死区时间。
采用有源箝位的正激变换器的特点是：变压器是双向对称磁化的，工作在b-h回线的第一和第三象限，变压器得到了充分利用，因此占空比可以大于0.5，而且开关管的电压应力低，适合与输入
电压范围比较宽的应用场合，箝位开关管是零电压开关的，励磁能量和漏感能量全部回馈到电网。
2 参数设计
2.1 功率变压器的设计
1）工作频率的设定
开关频率的提高有助于开关电源的体积减小，重量减轻。
开关频率提高又增加了开关损耗和磁芯损耗。
本方案通初步确定工作频率和最大占空比如下：
工作频率f=170khz
最大占空比=75%
2）根据设计输出功率选择磁芯
po=7.5×20=150（w）
考虑有20%裕量和效率，取η=80%，则150×1.2×1.25=225瓦，选择一个传递功率可达300瓦的磁芯，通过ferroxcube公司的磁芯手册，选材料代号为3f3的锰锌铁氧体磁芯，材料的损耗曲线如图2所示。
比损耗为100mw/cm3对应磁通密度摆幅为0.09t。
这里是第一次选择磁通密度摆幅。
图2 比损耗与频率和峰值磁感应关系 t=100℃
应用面积粗略估计公式：
ap=a■a■=■■cm■
其中：p■——输出功率（w）；
δb——磁通密度变化量（t）；
f■——变压器工作频率（hz）；
k——0.014（正激变换器）
得到 ap=■■=1.2cm■
假定选择磁芯ee32/6/20，查阅手册得到a■=130mm2 a■=130mm2 v■=5380mm3 l■=41.4mm。
ap=1.3×1.3=1.69cm■。
由经验公式估算ee32型磁芯的热阻值。
如下
r■=■（℃/w），得r■=■=27.6℃/w
根据最大温升δt，这种电源采用的是工业级场合，有风扇冷却或空调制冷冷却方式，所以取50℃，计算允许的损耗：
p■=δt/r■=50/27.6=1.8w
假定磁芯和线圈损耗各一半，即p■=0.9w，p■=0.9w（要使能量损耗最小，磁芯损耗应等于线圈损耗。
）计算磁芯单位体积损耗：p■/v■=0.9/5.38=167mw/cm■（kw/m■），应用这些磁芯损耗值，在所选择的3f3材料损耗曲线图4上，由167mw/cm■且频率170khz 得0.105t。
（50度温升时和绝对允许损耗，允许磁芯比损耗加大。
磁通密度第二次迭代）
则有δb=2×0.105=0.21t（相同损耗，单向磁化磁通密度加倍）3）计算电压比
电压比计算的原则是电路在最大占空比和最低输入电压的条件下，输出电压能达到的上限，考虑到电路的压降，输出电压要有裕量，输入电压还有±20%的波动。
k■≤■
uimin为输入直流电压的最小值，应取输入电压下限并注意考虑电压的纹波；dmax为最大占空比；uomax为最高输出电压；δu为电路中的压降，应包含整流二极管的压降和线路的压降等。
取uimin=85×0.8×1.2=82v，dmax取75%，uomax取7.5v，δu 取0.3v
得到k■≤7.5
4）计算原边和副边绕组的匝数
为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按最大伏-秒面积计算匝数。
因为电路中的电压波形都是方波，所以最大伏-秒面积的计算可以简化为电压和脉冲宽度的乘积。
对正激型电路，有
s■=max[■u■dt]=max[■u■dt]=■u■dt=u■t■
式中，u■为副边绕组电压幅值，t■为开关周期。
得n■=■=■=1.68（匝）如果取1匝，将大大增加了伏/匝，磁感应变化量和磁芯损耗。
如果取2匝，减少了磁芯损耗，但是增加了线圈损耗。
因为以上结果接近2匝，选取2匝。
重新计算2匝时的磁感应变化量和损耗：
δb=0.21×1.68/2=0.18（t）（磁通密度第三次迭代）
由磁芯损耗曲线图4查得0.18t/2（900gs）时大约为105mw/cm ■。
磁芯损耗
p■=105×5.38=564mw=0.564w
n■=■=■=6（匝）
由以上得出原边匝数n■=n■×k■=2×7.5=15（匝）
2.2 输出滤波电路的设计和计算
设计滤波电感应根据输出电压，输出电流和开关频率，并应首先选定允许的电感感电流最大纹波值，对正激电路有如下公式计算电感值：
l=■
其中，l为滤波电感的值，u■为输入电压最大值，f■为开关频率，δi为允许的电感电流最大纹波波峰峰值。
在这里允许的电感电流最大纹波波峰蜂值δi取最大输出电流的20%，即4a，计算
l=0.76μh，根据电感值和流过电感的电流，有如下公式选定电感铁心：
a■a■≥■
式中，a■为铁心磁路截面积，a■为铁心窗口面积，l为电感值，i■为电感电流最大有效值，■■为电感电流最大蜂值，b■为磁路磁通密度最大值，d■为电感绕组导体的电流密度，k■为绕组在铁心窗口中的填充因数。
这里l有0.76μh，i■取电感电流的最大值20a，电感电流最大峰值■■取最大输出电流加上电感电流最大纹波波峰峰值δi的一半，即22a，磁路磁通密度最大值取0.3t，d■取4a/mm2，绕组在铁心窗口中的填充因数k■取0.5。
计算得a■a■≥0.05cm■
这里为了方便使用同种磁芯，也采用ee32/6/20型磁芯，ap值满足，根据查手册得到，当气隙δ=0.45mm时，a■值为400nh，根据
a■=l/n■得，n=1.38匝，取2匝。
2.3 箝位电容和开关管的参数设计
为了保证变压器能够磁通复位，原边绕组所加正负电压伏秒面积必须相等。
在输入电压最低时，占空比最大，此时用于给变压器磁复位的时间最短。
为了能够在最短时间内完成磁复位，那么箝位电容电压最大值为：
v■=■=■=234v
开关管q■关断时所承受的电压为：
v■=v■+v■
从上式中可以看出，输入电压v■越低，箝位电压v■越高。
那么v■=v■+v■基本保持不变。
计算开关管承受的最大电压应力v ■=265×1.2+234=552v，所以我们选择开关管的耐压值为600v。
箝位电容值的选择有公式：
c■≥■=■= =0.05μf（根据磁芯手册查得a■值，有l=n■a■）3 结束语
开关电源技术的发展趋势是小型化、轻量化、同时对效率和电磁兼容性有很高的要求，本文介绍的有源箝位正激式电路，能够实现零电压软开关工作模式，从而减少了开关器件和变压器的功耗，改善了电磁兼容性，在工业上有着广泛的应用前景。
【参考文献】
[1]杨旭，等.开关电源技术[m].机械工业出版社，2004.
[2]赵修科.开关电源中磁性元器件[m].电子工业出版社，2004.
[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理和设计[m].电子工业出版社，1998.
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