鉅大LARGE | 點擊量：1035次 | 2020年05月19日
一種基于全橋式變壓器開關電源的電路設計應用
全橋式變壓器開關電源的工作原理
全橋式變壓器開關電源工作原理與推挽式變壓器開關電源以及半橋式變壓器開關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電源工作原理。如下圖1所示是全橋式變壓器開關電源工作原理圖。圖中，K1、K2、K3、K4是4個控制開關，它們被分成兩組；K1和K4為一組，K2和K3為另一組。開關電源工作的時候，總是一組接通，另一組關斷，兩組控制開關輪流交替工作；T為開關變壓器，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。
當控制開關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，通過電磁感應會在變壓器的鐵心中出現(xiàn)磁場，并出現(xiàn)磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要出現(xiàn)自感電動勢e1，在次級線圈N2繞組的兩端也會出現(xiàn)感應電動勢e2；感應電動勢e2用途于負載R的兩端，從而出現(xiàn)負載電流。
全橋式開關電源變壓器參數(shù)的計算
全橋式變壓器開關電源的工作原理與推挽式變壓器開關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電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的數(shù)學表達式，同樣可以用于全橋式變壓器開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的計算。
1、全式開關電源變壓器初級線圈匝數(shù)的計算
全橋式變壓器開關電源與推挽式開關電源相同，也屬于雙激式開關電源，因此用于全橋式開關電源的變壓器鐵心的磁感應強度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。全橋式開關電源變壓器的計算方法與前面推挽式開關電源變壓器的計算方法基本相同，根據(jù)推挽式開關電源變壓器初級線圈匝數(shù)計算公式：
2、交流輸出全橋式開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算
全橋式變壓器開關電源假如用于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要調(diào)整，工作效率很高。
用于逆變的全橋式變壓器開關電源一般輸出電壓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，只要了解輸出電壓的半波平均值就可以了解有效值，再根據(jù)半波平均值，就可以求得半橋式開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比。
3、直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關電源變壓器初、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)整式全橋開關電源的兩組控制開關K1和K4、K2和K3的占空比與DC/AC逆變電源相同，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，全橋式變壓器開關電源的兩組控制開關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為開關電源的工作電壓。
全橋式開關電源的優(yōu)、劣勢
1、全橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高。
全橋式變壓器開關電源與推挽式變壓器開關電源相同，由于兩組開關器件輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關電源輸出功率的兩倍。因此，全橋式變壓器開關電源輸出功率很大，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。
2、全橋式開關電源的優(yōu)點是開關管的耐壓值特別的低。
全橋式變壓器開關電源最大的優(yōu)點是，對4個開關器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關電源對兩個開關器件的耐壓要求可以降低一半。因為，全橋式變壓器開關電源4個開關器件分成兩組，工作時2個開關器件互相串聯(lián)，關斷時，每個開關器件所承受的電壓，只有單個開關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電源兩個開關器件耐壓的一半。
3、全橋式變壓器開關電源重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電源，其輸出功率要比推挽式變壓器開關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電源大部分都是使用全橋式變壓器開關電源。而在輸入電壓較低的情況下，推挽式變壓器開關電源的輸出功率又要比全橋式變壓器開關電源的輸出功率大很多。
4、全橋式變壓器開關電源的電源利用率比推挽式變壓器開關電源的電源利用率低一些，
因為2組開關器件互相串聯(lián)，兩個開關器件接通時總的電壓降要比單個開關器件接通時的電壓降大一倍;但比半橋式變壓器開關電源的電源利用率高很多。因此，全橋式變壓器開關電源也可以用于工作電源電壓比較低的場合。
5、與半橋式開關電源相同，全橋式變壓器開關電源的變壓器初級線圈只要一個繞組，這也是它的優(yōu)點，這對小功率開關電源變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但關于大功率開關電源變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢，因為，大功率開關電源變壓器的線圈要用多股線來繞。
6、全橋式變壓器開關電源的缺點重要是功率損耗比較較大，因此，全橋式變壓器開關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，全橋式變壓器開關電源中的4個開關器件連接沒有公共地，與驅(qū)動信號連接比較麻煩。
7、全橋式開關電源的缺點是會出現(xiàn)半導通區(qū)，損耗大。
全橋式開關電源最大的缺點是，當兩組控制開關K1、K4和K2、K3處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時候，4個開關器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導通區(qū)域，即兩組控制開關同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關器件在開始導通的時候，相當于對電容充電，它從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài)要一個過渡過程;而開關器件從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止狀態(tài)的時候，相當于對電容放電，它從導通狀態(tài)到完全截止狀態(tài)也要一個過渡過程。
當兩組開關器件分別處于導通和截止過渡過程時，即兩組開關器件都處于半導通狀態(tài)時，相當于兩組控制開關同時接通，它們會造成對電源電壓出現(xiàn)短路；此時，在4個控制開關的串聯(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K1、K4和K2、K3同時處于過渡過程期間，4個開關器件將會出現(xiàn)很大的功率損耗。為了降低控制開關過渡過程出現(xiàn)的損耗，一般在全橋式開關電源電路中，都有意讓兩組控制開關的接通和截止時間錯開一小段時間。
結(jié)論
在實際應用中，為了防止變壓器初級線圈出現(xiàn)的反電動勢把開關器件擊穿，降低開關器件半導通狀態(tài)期間的損耗和全橋式變壓器開關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，每個控制開關的兩端都并聯(lián)一個阻尼二極管。全橋式變壓器開關電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開關電源以及半橋式變壓器開關電源的交流輸出波形也基本相同。
