基于全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的分析

1 全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理

全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源以及半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理是很相似的，我下面先來(lái)了解全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理。如下圖1所示是全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理圖。圖中，K1、K2、K3、K4是4個(gè)控制開(kāi)關(guān)，它們被分成兩組;K1和K4為一組，K2和K3為另一組。開(kāi)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(kāi)關(guān)輪流交替工作;T為開(kāi)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(guò)負(fù)載的電流。

從上面的原理圖中可以看出，控制開(kāi)關(guān)K1和K4與控制開(kāi)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的電路稱(chēng)為全橋式開(kāi)關(guān)電源電路。圖中，當(dāng)控制開(kāi)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(kāi)關(guān)電源輸出一個(gè)正半周電壓。

當(dāng)控制開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)K1和K4由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，控制開(kāi)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(kāi)關(guān)電源輸出一個(gè)負(fù)半周電壓。

當(dāng)控制開(kāi)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(guò)，通過(guò)電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(shì)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(shì)e2;感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2作用于負(fù)載R的兩端，從而產(chǎn)生負(fù)載電流。

2 全橋式開(kāi)關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算

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

2.1全式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算

全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與推挽式開(kāi)關(guān)電源一樣，也屬于雙激式開(kāi)關(guān)電源，因此用于全橋式開(kāi)關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,可從負(fù)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(kāi)關(guān)電源變壓器的計(jì)算方法與前面推挽式開(kāi)關(guān)電源變壓器的計(jì)算方法基本相同，根據(jù)推挽式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)計(jì)算公式：

由上面的公式看出，雖然是用來(lái)計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式，但對(duì)于全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算同樣有效。

式中，N1為變壓器初級(jí)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(qiáng)度(單位：高斯);Ui為開(kāi)關(guān)電源的工作電壓，即加到變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓，單位為伏;τ = Ton,為控制開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖寬度，或電源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度(單位：秒); F為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開(kāi)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(lái)計(jì)算變壓器初級(jí)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(zhǎng)度為厘米(cm)，磁感應(yīng)強(qiáng)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(kāi)關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

全橋式變壓器開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比。

2.3直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)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(jí)整流濾波電路，請(qǐng)參考1-48.這種直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)電源的兩組控制開(kāi)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(kāi)關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比可直接利用如下公式來(lái)計(jì)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(gè)開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)的電壓降。

2.4直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的兩組控制開(kāi)關(guān)K1、K4和K2、K3的占空比必須要小于0.5;因?yàn)槿珮蚴阶儔浩鏖_(kāi)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(kāi)關(guān)K1、K4和K2、K3的占空比相當(dāng)于要小一倍。當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí)，占空比最好取值為0.25.如下公式：

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

3 全橋式開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)、劣勢(shì)

3.1全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高。

全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源一樣，由于兩組開(kāi)關(guān)器件輪流交替工作，相當(dāng)于兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開(kāi)關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，全橋式變壓器開(kāi)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(dòng)系數(shù)Sv和電流脈動(dòng)系數(shù)Si都很小，僅需要一個(gè)很小值的儲(chǔ)能濾波電容或儲(chǔ)能濾波電感，就可以得到一個(gè)電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。

3.2全橋式開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓值特別的低。

全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)4個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)椋珮蚴阶儔浩鏖_(kāi)關(guān)電源4個(gè)開(kāi)關(guān)器件分成兩組，工作時(shí)2個(gè)開(kāi)關(guān)器件互相串聯(lián)，關(guān)斷時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓，只有單個(gè)開(kāi)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(dòng)勢(shì)之和的一半，這個(gè)結(jié)果正好是推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件耐壓的一半。

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

采用全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源，其輸出功率要比推挽式變壓器開(kāi)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(kāi)關(guān)電源大部分都是使用全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源。而在輸入電壓較低的情況下，推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出功率又要比全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出功率大很多。

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

因?yàn)?組開(kāi)關(guān)器件互相串聯(lián)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)總的電壓降要比單個(gè)開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)的電壓降大一倍;但比半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的電源利用率高很多。因此，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源也可以用于工作電源電壓比較低的場(chǎng)合。

3.5與半橋式開(kāi)關(guān)電源一樣，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的變壓器初級(jí)線圈只需要一個(gè)繞組，這也是它的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源變壓器的線圈繞制多少帶來(lái)一些方便。但對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)電源變壓器的線圈繞制沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)?，大功率開(kāi)關(guān)電源變壓器的線圈需要用多股線來(lái)繞。

3.6全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是功率損耗比較較大，因此，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場(chǎng)合，否則工作效率會(huì)很低。另外，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的4個(gè)開(kāi)關(guān)器件連接沒(méi)有公共地，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接比較麻煩。

3.7全橋式開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)通區(qū)，損耗大。

全橋式開(kāi)關(guān)電源最大的缺點(diǎn)是，當(dāng)兩組控制開(kāi)關(guān)K1、K4和K2、K3處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)很短時(shí)間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩組控制開(kāi)關(guān)同時(shí)處于接通狀態(tài)。這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件在開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程;而開(kāi)關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。

當(dāng)兩組開(kāi)關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過(guò)渡過(guò)程時(shí)，即兩組開(kāi)關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于兩組控制開(kāi)關(guān)同時(shí)接通，它們會(huì)造成對(duì)電源電壓產(chǎn)生短路;此時(shí)，在4個(gè)控制開(kāi)關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個(gè)電流并沒(méi)有通過(guò)變壓器負(fù)載。因此，在4個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K4和K2、K3同時(shí)處于過(guò)渡過(guò)程期間，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的損耗，一般在全橋式開(kāi)關(guān)電源電路中，都有意讓兩組控制開(kāi)關(guān)的接通和截止時(shí)間錯(cuò)開(kāi)一小段時(shí)間。

4 結(jié)論

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(shì)把開(kāi)關(guān)器件擊穿，降低開(kāi)關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度，一般可在圖1中4個(gè)控制開(kāi)關(guān)，每個(gè)控制開(kāi)關(guān)的兩端都并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管。全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源以及半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的交流輸出波形也基本相同。