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有源箝位正激式电路的特点及其参数设计
作者：颜魏伟 储增永 梁广和 来源：《科技视界》2013年第13期
【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：
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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
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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）