有源箝位正激式電路的特點(diǎn)及其參數(shù)設(shè)計(jì)

顏魏偉 儲(chǔ)增永 梁廣和

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一所，安徽 蚌埠233010；2.天津卷煙廠，中國(guó) 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(yè)電氣設(shè)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(wěn)壓模塊變換（一般壓差為2V）得到穩(wěn)定的5V 電源。實(shí)驗(yàn)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?fù)潆娐愤m合中小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能好，適合在煙草工業(yè)電氣設(shè)備中使用。

1 有源箝位正激式電路的特點(diǎn)

圖1 有源箝位正激式模型電路

有源鉗位正激變換器拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單端正激變換器拓?fù)浠鞠嗤?，只是增加了輔助開關(guān)Qc（帶反并二極管）和儲(chǔ)能電容Cc，且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路。開關(guān)Q1 和Qc 工作在互補(bǔ)狀態(tài)。為了防止開關(guān)Q1 和Qc 共態(tài)導(dǎo)通， 兩開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)間留有一定的死區(qū)時(shí)間。

采用有源箝位的正激變換器的特點(diǎn)是： 變壓器是雙向?qū)ΨQ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(guān)管的電壓應(yīng)力低，適合與輸入電壓范圍比較寬的應(yīng)用場(chǎng)合，箝位開關(guān)管是零電壓開關(guān)的，勵(lì)磁能量和漏感能量全部回饋到電網(wǎng)。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 功率變壓器的設(shè)計(jì)

1）工作頻率的設(shè)定

開關(guān)頻率的提高有助于開關(guān)電源的體積減小，重量減輕。 開關(guān)頻率提高又增加了開關(guān)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(jù)設(shè)計(jì)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(gè)傳遞功率可達(dá)300 瓦的磁芯， 通過Ferroxcube 公司的磁芯手冊(cè)，選材料代號(hào)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(duì)應(yīng)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(yīng)關(guān)系 T=100℃

應(yīng)用面積粗略估計(jì)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(cè)得到Aw=130mm2Ae=130mm2Ve=5380mm3le=41.4mm。AP=1.3×1.3=1.69cm4。 由經(jīng)驗(yàn)公式估算EE32型磁芯的熱阻值。 如下

根據(jù)最大溫升ΔT，這種電源采用的是工業(yè)級(jí)場(chǎng)合，有風(fēng)扇冷卻或空調(diào)制冷冷卻方式，所以取50℃，計(jì)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(yīng)等于線圈損耗。 ）計(jì)算磁芯單位體積損耗：Pclim/Ve=0.9/5.38=167mW／cm3（kW／m3），應(yīng)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(shí)和絕對(duì)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(jì)算電壓比

電壓比計(jì)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(dá)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(dòng)。

Uimin為輸入直流電壓的最小值，應(yīng)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(yīng)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(jì)算原邊和副邊繞組的匝數(shù)

為了保證在任何條件下磁芯不飽和， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按最大伏-秒面積計(jì)算匝數(shù)。因?yàn)殡娐分械碾妷翰ㄐ味际欠讲?，所以最大?秒面積的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為電壓和脈沖寬度的乘積。 對(duì)正激型電路，有

式中，uT2為副邊繞組電壓幅值，Ts為開關(guān)周期。

重新計(jì)算2 匝時(shí)的磁感應(yīng)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(shí)大約為105mW／cm3。磁芯損耗

由以上得出原邊匝數(shù)Np=Ns（7.5v）×KT＝2×7.5＝15（匝）

2.2 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算

設(shè)計(jì)濾波電感應(yīng)根據(jù)輸出電壓，輸出電流和開關(guān)頻率，并應(yīng)首先選定允許的電感感電流最大紋波值，對(duì)正激電路有如下公式計(jì)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(guān)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(jì)算L=0.76μH，根據(jù)電感值和流過電感的電流，有如下公式選定電感鐵心：

計(jì)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(jù)查手冊(cè)得到，當(dāng)氣隙δ=0.45mm 時(shí)，AL值為400nH，根據(jù)AL＝L/N2得，N=1.38 匝，取2 匝。

2.3 箝位電容和開關(guān)管的參數(shù)設(shè)計(jì)

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

開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)所承受的電壓為：

箝位電容值的選擇有公式：

3 結(jié)束語

開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化、同時(shí)對(duì)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?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作模式，從而減少了開關(guān)器件和變壓器的功耗，改善了電磁兼容性，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］楊旭，等.開關(guān)電源技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］趙修科.開關(guān)電源中磁性元器件[M].電子工業(yè)出版社，2004.

［3］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，1998.

［4］Ferroxcube 公司磁芯使用手冊(cè)[Z].2004.