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[導(dǎo)讀]全橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源。它同時具有推挽式變壓器開關(guān)電源電壓利用率高,又具有半橋式變壓器開關(guān)電源耐壓高的特點。由于全橋式變壓器開關(guān)電源經(jīng)常用于工作電壓高,輸出大功率大的場合,因此,本文主要是基于全橋式變壓器開關(guān)電源設(shè)計進行分析。

1 全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理

全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理是很相似的,我下面先來了解全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理。如下圖1所示是全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。圖中,K1、K2、K3、K4是4個控制開關(guān),它們被分成兩組;K1和K4為一組,K2和K3為另一組。開關(guān)電源工作的時候,總是一組接通,另一組關(guān)斷,兩組控制開關(guān)輪流交替工作;T為開關(guān)變壓器,N1為變壓器的初級線圈,N2為變壓器的次級線圈;Ui為直流輸入電壓,R為負載電阻;uo為輸出電壓,io為流過負載的電流。

 

 

從上面的原理圖中可以看出,控制開關(guān)K1和K4與控制開關(guān)K2和K3正好組成一個電橋的兩臂,變壓器作為負載被跨接于電橋兩臂的中間。因此,我們把圖1的電路稱為全橋式開關(guān)電源電路。圖中,當控制開關(guān)K1和K4接通時候,電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端,同時,由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓Ui成正比的電壓,并加到負載R的兩端,使開關(guān)電源輸出一個正半周電壓。

當控制開關(guān)控制開關(guān)K1和K4由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候,控制開關(guān)K2和K3則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通,電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端;同理,由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓,并加到負載R的兩端,使開關(guān)電源輸出一個負半周電壓。

當控制開關(guān)K1和K4接通時候,電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端,在變壓器初級線圈N1繞組中將有電流經(jīng)過,通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場,并產(chǎn)生磁力線;同時,在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢e1,在次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2;感應(yīng)電動勢e2作用于負載R的兩端,從而產(chǎn)生負載電流。

2 全橋式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計算

全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理是非常接近的,只是變壓器的激勵方式與工作電源的接入方式有點不同;因此,用于計算推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的數(shù)學(xué)表達式,同樣可以用于全橋式變壓器開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的計算。

2.1全式開關(guān)電源變壓器初級線圈匝數(shù)的計算

全橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式開關(guān)電源一樣,也屬于雙激式開關(guān)電源,因此用于全橋式開關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強度B,可從負的最大值-Bm,變化到正的最大值+Bm,并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。全橋式開關(guān)電源變壓器的計算方法與前面推挽式開關(guān)電源變壓器的計算方法基本相同,根據(jù)推挽式開關(guān)電源變壓器初級線圈匝數(shù)計算公式:

 

 

由上面的公式看出,雖然是用來計算推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的公式,但對于全橋式變壓器開關(guān)電源變壓器初級線圈匝數(shù)的計算同樣有效。

式中,N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù),S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強度(單位:高斯);Ui為開關(guān)電源的工作電壓,即加到變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓,單位為伏;τ = Ton,為控制開關(guān)的接通時間,簡稱脈沖寬度,或電源開關(guān)管導(dǎo)通時間的寬度(單位:秒); F為工作頻率,單位為赫芝,一般雙激式開關(guān)電源變壓器工作于正、反激輸出的情況下,其伏秒容量必須相等,因此,可以直接用工作頻率來計算變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù);F和τ取值要預(yù)留20%左右的余量。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的,選用不同單位,指數(shù)的值也不一樣,這里選用CGS單位制,即:長度為厘米(cm),磁感應(yīng)強度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。

2.2交流輸出全橋式開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

全橋式變壓器開關(guān)電源如果用于DC/AC或AC/AC逆變電源,即把直流逆變成交流,或把交流整流成直流后再逆變成交流,這種逆變電源一般輸出電壓都不需要調(diào)整,工作效率很高。

用于逆變的全橋式變壓器開關(guān)電源一般輸出電壓uo都是占空比等于0.5的方波,由于方波的波形系數(shù)(有效值與半波平均值之比)等于1,因此,方波的有效值Uo與半波平均值Upa相等,并且方波的幅值Up與半波平均值Upa也相等。所以,只要知道輸出電壓的半波平均值就可以知道有效值,再根據(jù)半波平均值,就可以求得半橋式開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比。

2.3直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)電源,就是在DC/AC逆變電源的交流輸出電路后面再接一級整流濾波電路,請參考1-48.這種直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)電源的兩組控制開關(guān)K1和K4、K2和K3的占空比與DC/AC逆變電源一樣,一般都是0.5,整流輸出電壓的有效值Uo與半波平均值Upa基本相等。因此,直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比可直接利用如下公式來計算。即:

 

 

同樣,在低電壓、大電流輸出的情況下,一定要考慮變壓器的工作效率以及整流二極管的電壓降和4個開關(guān)器件接通時的電壓降。

2.4直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開關(guān)電源的功能就要求輸出電壓可調(diào),因此,全橋式變壓器開關(guān)電源的兩組控制開關(guān)K1、K4和K2、K3的占空比必須要小于0.5;因為全橋式變壓器開關(guān)電源正反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出,所以在同樣輸出電壓(平均值)的情況下,兩組控制開關(guān)K1、K4和K2、K3的占空比相當于要小一倍。當要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時,占空比最好取值為0.25.如下公式:

 

 

上面的公式就是計算直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開關(guān)電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中,N1為變壓器初級線圈的最少匝數(shù),N2為變壓器次級線圈的匝數(shù),Uo為直流輸出電壓,Ui為開關(guān)電源的工作電壓。

3 全橋式開關(guān)電源的優(yōu)、劣勢

3.1全橋式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大,工作效率很高。

全橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式變壓器開關(guān)電源一樣,由于兩組開關(guān)器件輪流交替工作,相當于兩個開關(guān)電源同時輸出功率,其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此,全橋式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大,工作效率很高,經(jīng)橋式整流或全波整流后,其輸出電壓的電壓脈動系數(shù)Sv和電流脈動系數(shù)Si都很小,僅需要一個很小值的儲能濾波電容或儲能濾波電感,就可以得到一個電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。

3.2全橋式開關(guān)電源的優(yōu)點是開關(guān)管的耐壓值特別的低。

全橋式變壓器開關(guān)電源最大的優(yōu)點是,對4個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關(guān)電源對兩個開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因為,全橋式變壓器開關(guān)電源4個開關(guān)器件分成兩組,工作時2個開關(guān)器件互相串聯(lián),關(guān)斷時,每個開關(guān)器件所承受的電壓,只有單個開關(guān)器件所承受電壓的一半。其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和的一半,這個結(jié)果正好是推挽式變壓器開關(guān)電源兩個開關(guān)器件耐壓的一半。

3.3全橋式變壓器開關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場合,在輸入電壓很高的情況下,

采用全橋式變壓器開關(guān)電源,其輸出功率要比推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出功率大很多。因此,一般電網(wǎng)電壓為交流220伏供電的大功率開關(guān)電源大部分都是使用全橋式變壓器開關(guān)電源。而在輸入電壓較低的情況下,推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出功率又要比全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出功率大很多。

3.4全橋式變壓器開關(guān)電源的電源利用率比推挽式變壓器開關(guān)電源的電源利用率低一些,

因為2組開關(guān)器件互相串聯(lián),兩個開關(guān)器件接通時總的電壓降要比單個開關(guān)器件接通時的電壓降大一倍;但比半橋式變壓器開關(guān)電源的電源利用率高很多。因此,全橋式變壓器開關(guān)電源也可以用于工作電源電壓比較低的場合。

3.5與半橋式開關(guān)電源一樣,全橋式變壓器開關(guān)電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組,這也是它的優(yōu)點,這對小功率開關(guān)電源變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關(guān)電源變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢,因為,大功率開關(guān)電源變壓器的線圈需要用多股線來繞。

3.6全橋式變壓器開關(guān)電源的缺點主要是功率損耗比較較大,因此,全橋式變壓器開關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場合,否則工作效率會很低。另外,全橋式變壓器開關(guān)電源中的4個開關(guān)器件連接沒有公共地,與驅(qū)動信號連接比較麻煩。

3.7全橋式開關(guān)電源的缺點是會出現(xiàn)半導(dǎo)通區(qū),損耗大。

全橋式開關(guān)電源最大的缺點是,當兩組控制開關(guān)K1、K4和K2、K3處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時候,4個開關(guān)器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導(dǎo)通區(qū)域,即兩組控制開關(guān)同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關(guān)器件在開始導(dǎo)通的時候,相當于對電容充電,它從截止狀態(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個過渡過程;而開關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止狀態(tài)的時候,相當于對電容放電,它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止狀態(tài)也需要一個過渡過程。

當兩組開關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過渡過程時,即兩組開關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時,相當于兩組控制開關(guān)同時接通,它們會造成對電源電壓產(chǎn)生短路;此時,在4個控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流,而這個電流并沒有通過變壓器負載。因此,在4個控制開關(guān)K1、K4和K2、K3同時處于過渡過程期間,4個開關(guān)器件將會產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開關(guān)過渡過程產(chǎn)生的損耗,一般在全橋式開關(guān)電源電路中,都有意讓兩組控制開關(guān)的接通和截止時間錯開一小段時間。

4 結(jié)論

在實際應(yīng)用中,為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(guān)器件擊穿,降低開關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和全橋式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度,一般可在圖1中4個控制開關(guān),每個控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個阻尼二極管。全橋式變壓器開關(guān)電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(guān)電源的交流輸出波形也基本相同。

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