有源箝位正激式电路的特点及其参数设计

颜魏伟 储增永 梁广和

（1.中国电子科技集团公司 第四十一所，安徽 蚌埠233010；2.天津卷烟厂，中国 天津300163；3.哈尔滨卷烟厂，黑龙江 哈尔滨150001）

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：

其中：PO——输出功率（W）；

ΔB——磁通密度变化量（T）；

fT——变压器工作频率（Hz）；

K——0.014(正激变换器)

假定选择磁芯EE32/6/20，查阅手册得到Aw=130mm2Ae=130mm2Ve=5380mm3le=41.4mm。AP=1.3×1.3=1.69cm4。 由经验公式估算EE32型磁芯的热阻值。 如下

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：

Plim=ΔT/RE=50/27.6=1.8W

假定磁芯和线圈损耗各一半，即Pclim=0.9W，Plim=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：Pclim/Ve=0.9/5.38=167mW／cm3（kW／m3），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／cm3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。

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KT≤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

式中，uT2为副边绕组电压幅值，Ts为开关周期。

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／cm3。磁芯损耗

由以上得出原边匝数Np=Ns（7.5v）×KT＝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：

其中，L 为滤波电感的值，Uimax为输入电压最大值，fs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：

计算得AeAw≥0.05cm4

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，AL值为400nH，根据AL＝L/N2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：

开关管Q1关断时所承受的电压为：

箝位电容值的选择有公式：

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。

［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.

［4］Ferroxcube 公司磁芯使用手册[Z].2004.