開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載四十三）全橋式變壓器開關(guān)電源

1-8-3.全橋式變壓器開關(guān)電源

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(shí)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(diǎn)。因此，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。

1-8-3-1.全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理

圖1-47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(gè)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(shí)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(jí)線圈，N2為變壓器的次級(jí)線圈;Ui為直流輸入電壓，R為負(fù)載電阻;uo為輸出電壓，io為流過負(fù)載的電流。

從圖1-47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(gè)電橋的兩臂，變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。因此，我們把圖1-47的電路稱為全橋式開關(guān)電源電路。

圖1-47中，當(dāng)控制開關(guān)K1和K4接通時(shí)候，電源電壓Ui被加到變壓器初級(jí)線圈N1繞組的a、b兩端，同時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈N2繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1繞組輸入電壓Ui成正比的電壓，并加到負(fù)載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個(gè)正半周電壓。

當(dāng)控制開關(guān)控制開關(guān)K1和K4由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)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(jí)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(jí)線圈N2繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負(fù)載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個(gè)負(fù)半周電壓。

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，因此，分析方法也基本相同。下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理。

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

因此，在初、次級(jí)電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個(gè)磁場的大小可用磁力線通量(簡稱磁通量)，即磁力線的數(shù)目Φ 來表示。

如果用Φ1來表示變壓器初級(jí)線圈N1繞組電流產(chǎn)生的磁通量，用 Φ2來表示變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān)K1和K4接通期間，由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量Φ 為：

Φ = Φ1- Φ2 —— K1和K4接通期間 (1-179)

其中變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來抵消變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ2，記為 Φ10，另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，記為ΦΔ 1。顯然 Φ10 =- Φ2，ΦΔ 1 =Φ 。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級(jí)線圈中的電流無關(guān);流過變壓器次級(jí)線圈中的電流產(chǎn)生的磁通Φ，完全被流過變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組回路列出方程：

e1 = N1*dΦ/dt =Uab —— K1和K4接通期間 (1-180)

上式中，e1為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢，Uab為電源加于變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui，變壓器鐵心中磁通的變化率。

同樣，可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N2繞組回路列出方程：

e2 = N2*dΦ/dt =(Up)—— K1和K4接通期間 (1-181)

上式中，(Up)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組的勵(lì)磁電流或開關(guān)變壓器鐵心中的磁通是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組正激輸出電壓是一個(gè)方波。方波的幅值Up與半波平均值Upa以及有效值Uo三者完全相等。

根據(jù)(1-180)式和(1-181)式可以求得：

(Up)= e2 =ne1 =nUi —— K1和K4接通期間 (1-182)

(1-182)式就是全橋式變壓器開關(guān)電源正激輸出時(shí)的電壓關(guān)系式。上式中，(Up)為開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值;Ui為開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組的輸入電壓;n為變壓器次、初級(jí)線圈的變壓比，即：開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組與初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n = N2/N1。

由此可知，在控制開關(guān)K1和K4接通期間，全橋式變壓器開關(guān)電源變壓器次級(jí)輸出的正激電壓幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級(jí)變壓比有關(guān)系。

同理我們也可以求得，當(dāng)控制開關(guān)K2和K3接通時(shí)，開關(guān)變壓器N2線圈繞組輸出的正激電壓幅值(Up-)為：

(Up-)= -e2 =-ne1 = -nUi —— K2和K3接通期間 (1-183)

上式中的負(fù)號(hào)表示e2的符號(hào)與(1-182)中的符號(hào)相反，(Up-)表示與(Up)的極性相反，因?yàn)?Uab=-Uba 。

這里還需指出，(1-182)式和(1-183)式列出的計(jì)算結(jié)果，并沒有考慮控制開關(guān)K1和K4或K2和K3關(guān)斷瞬間，勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生反電動(dòng)勢的影響。當(dāng)控制開關(guān)K1和K4或K2和K3關(guān)斷瞬間，流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流由最大值突然下降為零，使開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也要跟著產(chǎn)生變化;即：開關(guān)變壓器的初、次級(jí)線圈中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種感應(yīng)電動(dòng)勢是勵(lì)磁電流存儲(chǔ)于關(guān)變壓器鐵心中的磁能量產(chǎn)生的;這種感應(yīng)電動(dòng)勢對(duì)于變壓器次級(jí)線圈電壓輸出繞組來說，屬于反激式輸出。即：全橋式變壓器開關(guān)電源同時(shí)存在正、反激電壓輸出。

反激式電壓產(chǎn)生的原因是因?yàn)镵1和K4或K2和K3接通瞬間變壓器初級(jí)或次級(jí)線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。實(shí)際上，全橋式變壓器開關(guān)電源的反激式輸出電壓部分是不能忽略的。全橋式變壓器開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓應(yīng)該同時(shí)包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。

因此，圖1-47中，當(dāng)控制開關(guān)K1和K4關(guān)斷，K2和K3接通瞬間，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓應(yīng)該等于正激電壓與反激電壓之和。正激電壓的計(jì)算可由(1-182)式和(1-183)式給出，反激電壓的計(jì)算可由(1-67)或(1-68)式給出。關(guān)于純電阻負(fù)載反激式輸出電壓的計(jì)算，請(qǐng)參考前面《1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》章節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容分析，這里不再贅述。

根據(jù)(1-67)式

上式中，[uo] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組輸出的反激式電壓，[i2] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組輸出反激式電壓對(duì)負(fù)載R產(chǎn)生的電流。

另外根據(jù)(1-183)式求得的結(jié)果，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為：

(uo)=-ne1= -nUi —— K2和K3接通期間 (1-185)

上面兩式中，[uo] 表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓，(uo)表示開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。

因此，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓uo等于正激電壓(uo)與反激電壓[uo]之和，即：

從(1-187)式可以看出，在控制開關(guān)K1和K4關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級(jí)線圈回路負(fù)載開路，或負(fù)載很輕的時(shí)候，變壓器次級(jí)線圈回路會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢。

但在實(shí)際應(yīng)用中，并不完全是這樣。因?yàn)?，?dāng)控制開關(guān)K1和K4關(guān)斷瞬間，控制開關(guān)K2和K3也會(huì)同時(shí)接通，此時(shí)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組同時(shí)也被接到另一個(gè)電路中，即：原來電源Ui是通過K1和K4把電壓加到開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組a、b的兩端，對(duì)開關(guān)變壓器進(jìn)行供電;當(dāng)K2和K3接通后，電源Ui則通過K2和K3把電壓加到開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組b、a的兩端，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢首先要通過K2和K3對(duì)電源Ui進(jìn)行供電，然后電源Ui才通過初級(jí)線圈N1繞組b、a的兩端對(duì)關(guān)變壓器進(jìn)行供電。

這樣，就相當(dāng)于通過控制開關(guān)K2和K3與K1和K4不停地對(duì)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1繞組進(jìn)行換相的同時(shí)，電源在開始對(duì)變壓器供電的時(shí)候，也對(duì)反電動(dòng)勢進(jìn)行限幅。因此，變壓器次級(jí)線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓 [uo]，并不會(huì)像(1-186)和(1-187)算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。

另外，全橋式變壓器開關(guān)電源與其它雙激式開關(guān)電源一樣，在設(shè)計(jì)的時(shí)候一般都把開關(guān)變壓器的伏秒容量取得很大，勵(lì)磁電流取得很小，反電動(dòng)勢(反激輸出電壓)的半波平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激電壓的半波平均值。因此，反電動(dòng)勢電壓的幅度可能很高，但能量不會(huì)很大，即：反電動(dòng)勢脈沖的寬度很窄。

所以，(1-186)和(1-187)式所表示的結(jié)果，可看成是全橋式變壓器開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺(輸出噪音)的表達(dá)式。

根據(jù)上面分析，在一般情況下，全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要還是由(1-181)、(1-182)、(1-183)等式來決定。即：全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈N2繞組輸出的正激電壓來決定。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)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1-47中4個(gè)控制開關(guān)，每個(gè)控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管，請(qǐng)參考圖1-29和圖1-38以及相關(guān)說明。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，請(qǐng)參考圖1-28和圖1-37，以及相關(guān)說明。