基于全橋式變壓器開關(guān)電源設(shè)計的分析

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。