有源钳位DC／DC正激变换器硬件电路及参数的设计
摘 要：开关稳压电源取代晶体管线性稳压电源已有30多年历史。最初的开关电源一问世其电能转换效率就已经达到了60%-70%，转换效率可达到线性电源的一倍。因此开关电源引起了人们的广泛关注。随着社会进步，开关电源应用越来越广泛，对开关电源也提出新的要求。开关电源要小型轻量，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。DC-DC变换器是开关电源的主要组成部分，它是电能转换的核心，涉及到体积，转换效率等各方面的要求。本文主要介绍有源钳位单端正激式DC/DC变换器的设计方法。 关键词：DC-DC变换器；有源钳位；设计；
输入电压为28.5±5V，输出电压为12V，输出功率为50W。 一、占空比的设计
当主开关管Q1开通时，变压器原方绕组所承受的电压为，Q1截止时，原方绕组承受的反向电压为钳位电容上的电压。假设足够大，则在Q1截止期间，可以认为保持不变，则根据伏- 秒积平衡可以得到：
（5-1）
则不难得到： （5-2）
33ri
当主开关管Q1关断时，漏源电压应力为：
（5-3）
综合式（5-1）、（5-2）、（5-3）式可得
（5-4）
在相同的N、下，当输入电源电压增大时，占空比D减小。从式（5-4）可以看出，当D变化时，开关管电压应力也随之变化。当D=0.5左右变化时，的值变化不大，也就是说，当输入电压变化比较大时，开关管电压应力变化不大，因此有源钳位正激变换器特别适用于宽输入电源电压场合。一般D最大可以取到大米添加剂0.75左右。
在设计开关电源时，应该合理选择占空比，使得当输入电压为最大和最小值，开关管的电压应力相等。
由式（4-4）可得：， （5-5）
由式（5-2）可知，欲使得输入最大电压和最小电压时开关管电压应力相等，则须满足以下条件： （5-6）
则可以算得=0.412，=0.588，N=1.15
为了便于高频变压器的制作，取N=1，则根据式（4-4）可以得到：
=0.358，=0.511
二、主开关管的选择
选择MOSFET的原则是：MOSFET的额定电压和电流值不小于变换器中MOSFET所承受的最大电压和最大电流，一般应该为两倍。 当输入为=23.5V，D=0.511时，主开关管Q1的电压应力为：
=48 （V）
当输入为33.5 V，D=0.358时，主开关管Q1的电压应力为：
=52.2 （栓剂模具V）
在变换器正常运行时，主开关管Q1流过的最大电流为：
=2.36 （A） （其中设定效率为90%）
样本制作故应选用漏源最大电压大于100V，最大漏极电流大于5A的MOSFET作为主开关管。
三、钳位电容设计
钳位电容的值由钳位电压纹波决定，若要求纹波越小，则的值就取的越大。 越大，纹波越小，主开关管Q1上的电压应力也越小，但对电源电压或负载变化时的变换器响应速度也越慢。
不妨设，由于在主开关关断期间，电容电压反向加在变压器原方绕组上，因此变压器励磁
电流以恒定的速率下降。如图4-4所示，在关断期间电容电压先上升，再下降，钳位位电容电压的变化量就是纹波电压：
（5-7）
其中为开关管关断时刻的励磁电流值。
主开关管Q1关断时，钳位电容上的电压直接加在变压器原方绕组上，在这一电压作用下，励磁电流在时间内变为零，则有：
（5-8）
可得： （5-9）
取≤10%，=100μF，=50μS，考虑最坏情况D==0.358
可以算得≥12.8μF，所以，钳位电容取13μF
四、延迟时间设计
由有源钳位单端正激DC/DC变换器的工作原理可以知道，欲使得主开关管Q1实现零电压导通，合理设计辅助开关管Q2关断至主开关管Q1开通的延迟时间是关键。当辅助开关管关断后，励磁电感与结电容进行谐振，延迟时间必须大于1/4个谐振周期，这样上的电压才会谐振至零：
（5-10）
主开关管Q1关断至辅助开关管Q2开通的延迟时间为，由波形图可以知道：，即： （5-11）
且很显然：
综合上述各式，按最坏情况=23.5V 来调节RC延迟电路的参数。要实现主开关Q1的零电压开通，合理设计延迟时间是不够的，还必须采取措施，使得与谐振时，能够使得上的电压降为零。一般有以下两种措施：
1.在变压器磁芯中加气隙，减小励磁电抗，增大励磁电流。当辅助开关管Q2在时刻关断的励磁电流大于负载折算电流，则这两个电流的差值将使得在时刻继续放电，或者说励磁电
流除了用来提供输出电流外，剩余电流将用来使放电，即将上电荷抽尽。这种方法消除了主开关管免清洗助焊剂Q1的容性开通损耗，但增加了变压器的铁耗。
2. 在变压器副方整流二极管D1前串联一个饱和电抗器，延缓D1的开通时刻，即饱和电抗暂时将变压器和负载断开，整个励磁电流将全部用来对放电，从而实现主开关管Q1的零电压开通。这一方法的缺点是在高频时，饱和电抗器的损耗较大。
五、小结
八音盒制作有源钳位正激拓扑非常适合中小功率的DC/DC变换器电源设计。零电压软开关条件是变压器励磁电感和谐振电容的谐振频率必须足够大，并且有足够的励磁电流储能。其代价是变压器励磁电流损耗和功率开关管通态损耗加大，并随工作频率提高而加剧。因此该变换器拓扑工作频率受到限制。采用磁饱和电感可以改善电流应力过大的缺点。
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