开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(版本)]第4章

开关电源原理、设计及实例陈纯锴电子教案(版本)第4章 4.1概述4.2单端正激式结构44.3单端反激式结构44.4半桥式电路结构4.5全桥式电路结构4.6推挽式电路结构第44章变压器隔离的DC-DC变换器拓扑结构本章简介本章首先对DC-DC变换、实现方法行了概述，介绍了DC-DC变换中变压器所起的作用，重点对5种DC-DC电路拓扑结构、工作原理、关键节点的波形图进行了论述，包括单端正激式、单端反激式、半桥式、全桥式和推挽式电路。 最后概括地介绍了上述5种结构电路中电路元器件及输入、输出参数的计算方法。 本章要求了解DC-DC电路技术的内涵，重点掌握DC-DC电路拓扑结构特点、原理及工作过程，从而使后续各章的学习目标更加明确。 4.1概述一般电力(如市电)要经过转换才能符合使用的需要。 转换方式有交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率中取小功率等。 按电力电子的习惯称谓，AC-DC(AC表示交流电，DC表示直流电)称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频(同时也变压)，DC-DC称为直流-直流变换。 开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，涉及频率变换，其实把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。 用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压。 这就是DC-DC的基本手段，类似于“斩波”(Chop)作用。 4.1概述单端双端正激反激推挽半桥全桥单管双管DC-DC变换器4.1概述带变压隔离器的变换器是从第3章基本变换器派生、组合、演变而来的。 它们从哪个基本变换器变来，就带有哪个基本变换器的本质特征。 所谓派生，是指变压隔离器插入到各基本变换器各不同的点上而形成的电路。 由于变压隔离器有单端式、并联式、半桥式和全桥式四种，因此，可得到很多电路。 所谓组合是指变换器的串联形式引起的变化。 例如降压与升压变换器相串，或者升压与降压变换器相串等等。 这与第3章讨论的角度不同，本章是有意识地往隔离方向引导，并加以讨论，从而得到一些有应用价值、使用较广的电路。 图4-1给出了隔离DC-DC变换器功能示意图。 4.1概述逆变电路变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流图4-1隔离DC-DC变换器功能示意图4.1概述升压和降压等变换器可以完成直流电压的变换。 但实际上存在着转换功能上的局限性，例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大以及无法实现多路输出等。 这种局限性只能用另一种开关变换器中的重要组件变压隔离器来克服。 下面列出采用变压器隔离结构的原因?输出端与输入端之间需要隔离；?变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；?变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。 因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。 这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量；?变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，提高设备的绝缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻EMI干扰，并且还容易进行功率匹配；?交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量；工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，又可以避免变压器和电感产生噪音。 4.1概述表4-1各种不同的间接直流变流电路的比较拓扑结构电路优缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源全桥变压器双向激磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向激磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源4.2单端正激式结构4.2.1简介单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。 由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。 单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。 在计算机、通信、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。 所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。 一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半个周期向负载提供功率(或电压)输出。 当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激式开关电源；当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源，这种结构将在4.3节中详细介绍。 4.2单端正激式结构4.2.2电路结构及工作原理为使变换器结构简单，提高可靠性，减少成本和重量，图4-2示出了单端变压隔离器与降压变换器结合的线路。 这是一个原边、副边同时工作的线路，称为正激变换器（Forward Converter），它广泛地应用在小功率电源小。 由于原边绕组通过的是单向脉动电流，一个实用的单端变压隔离器电路必须采取措施，使变压器铁芯磁性复位，如图4-2所示。 4.2单端正激式结构当控制开关S接通的时候，直流输入电压iU首先对变压器T的初级线圈N1绕组供电，电流在变压器初级线圈N1绕组的两端会产生自感电动势1e；同时，通过互感M的作用，在变压器次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势2e；当控制开关S由接通状态突然转为关断状态的时候，电流在变压器初级线圈N1绕组中存储的能量(磁能)也会产生反电动势1e；同时，通过互感M的作用，在变压器次级线圈N2绕组中也会产生感应电动势2e。 因此，在控制开关S接通之前和接通之后，在变压器初、次级线圈中感应产生的电动势方向是不一样的。 开关S导通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。 因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。 S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以开关器件S关断后承受的电压为113S iNUUN?(4-1)4.2单端正激式结构4.2.3电路关键节点波形4.2单端正激式结构变压器的磁心复位开关S导通后，变压器的励磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。 为防止变压器的励磁电感饱和，必须设法使励磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。 变压器的磁心复位时间为31rst onNttN?(4-2)输出电压输出滤波电感电流连续的情况下21o oniUt NUN T?(4-4)输出电感电流不连续时，输出电压U o将高于式(4-4)的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下21o iNUUN?(4-5)4.2单端正激式结构4.2单端正激式结构4.2.4主要参数计算方法1.储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算0.542o iooU ULT TDI I?时(4-6)0.52op pICT DU?时(4-7)式中，oI为流过负载的平均电流，当0.5D?时，其大小正好等于流过储能电感L最大电流Lmi的二分之一；T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍控制开关的接通时间onT；p pU?为输出电压的纹波电压，纹波电压p pU?一般取峰-峰值，所以纹波电压等于电容器充电或放电时的电压增量，即2p pCU U?。 4.2单端正激式结构2.变压器初级线圈匝数的计算?8101im rUNSB B?(4-8)(4-8)式是计算单端正激式开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的公式。 式中，1N为变压器初级线圈绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位平方厘米)，mB为变压器铁心的最大磁感应强度(单位高斯)，Br为变压器铁心的剩余磁感应强度(单位高斯)，rB一般简称剩磁，onT?，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单位秒)，一般?取值时要预留20%以上的余量，iU为输入电压，单位为伏。 式中的指数是统一单位的，选用不同单位，指数的值也不一样，这里选用CGS单位制，即长度为厘米(cm)，磁感应强度为高斯(Gs)，磁通单位为麦克斯韦(Mx)。 4.2单端正激式结构3.变压器初、次级线圈匝数比的计算oiUnU D?(4-9)上式中，n为单端正激式开关电源变压器次级线圈与初级线圈的匝数比，即2/1n NN?；oU为输出直流电压，iU为变压器初级输入电压，D为控制开关的占空比。 4.流过1VD1的电流最大值112VD PLP oLI I II?minL L?(4-10)5.流过1VD1的电流平均值1VD oIDI?minL L?(4-11)6.输出电压脉动的峰-峰值2()18o oop po iU TnUULC U?(4-12)4.2单端正激式结构4.2.5正激式电路优缺点1.优点正激DC-DC变换器利用高频变压器原、副边绕组隔离的特点，可以方便地实现交流电网和直流输出端之间的隔离；能方便地实现多路输出；只有一个开关管，只需要一组驱动脉冲，对控制电路的要求比双端的变换器低。 2.缺点在控制开关S关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。 因此，在图4-2中，为了防止在控制开关S关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，以及增加了一个削反峰二极管VD3。 反馈线圈N3绕组和削反峰二极管VD3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势通过二极管VD3可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。 44.33单端反激式结构4.3.1简介所谓单端反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。 单端反激变换器是在反极性(Buck-Boost)变换器基础上演变而来的，因此具有反极性变换器的特性。 在高频开关电源功率转换电路中，单端变换器(反激、正激式)与双端变换器(推挽、半桥、全桥式)的本质区别，在于其高频变压器的磁心只工作在第一象限，即处于磁滞回线的一边。 按变压器的副边开关整流器二极管的不同接线方式，单端变换器有两种类型一种是单端反激式变换器(原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反，当前者导通时后者截止，反之当前者截止时后者导通)。 另一种是单端正激式变换器(两者同时导通或截止)。 4.3.2电路结构及工作原理图4-5反激式电路原理图S导通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。 44.33单端反激式结构在控制开关S导通的onT期间，输入电源iU对变压器初级线圈N1绕组加电，初级线圈N1绕组有电流1i流过，在N1两端产生自感电动势的同时，在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势，但由于整流二极管的作用，没有产生回路电流。 相当于变压器次级线圈开路，变压器次级线圈相当于一个电感。 因此，流过变压器初级线圈N1绕组的电流就是变压器的励磁电流，变压器初级线圈N1绕组两端产生自感电动势可由下式表示111idie LUdt?(K接通期间)(4-13)上式中，1e为变压器初级线圈N1绕组产生的自感电动势，L1是变压器初级线圈N1绕组的电感，N1为变压器初级线圈N1绕组线圈绕组的匝数。 对(4-13)式进行积分由此可求得11 (0)1iUi iL?(K接通期间)(4-14)44.33单端反激式结构当控制开关S由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流1i突然为0，这意味着变压器铁心中的磁通也要产生突变，这是不可能的，如果变压器铁心中的磁通产生突变，变压器初、次级线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势又会产生无限大的电流，而电流又会抵制磁通的变化，因此，变压器铁心中的磁通变化最终还是要受到变压器初、次级线圈中的电流来约束的。 因此，在控制开关S关断的offT期间，变压器铁心中的磁通主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定，即222odie LUdt?(K断开期间)(4-15)22 (0)2oUi iL?(K接通期间)(4-16)44.33单端反激式结构4.3.3电路关键节点波形图4-6反激电路的理想化波形44.33单端反激式结构4.3.4主要参数计算方法反激式变压器开关电源电路参数计算基本上与正激式变压器开关电源电路参数计算一样，主要对储能滤波电感、储能滤波电容，以及开关电源变压器的参数进行计算。 1.储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算0.58ioUL TDI?时(4-17)90.516op pCI T DU?时(4-18)式中oI是流过负载电流的平均值，T为开关工作周期，p pU?为滤波输出电压的波纹，或电压纹波。 一般波纹电压都是取电压增量的峰-峰值，因此，当D=0.5时，波纹电压等于电容器充电的电压增量，即2p pCU U?。 44.33单端反激式结构2.变压器初级线圈匝数的计算?8101im rUNSB B?(4-19)3.变压器初、次级线圈匝数比的计算由于反激式变压器开关电源的输出电压与控制开关的占空比有关，因此，在计算反激式开关电源变压器初、次级线圈的匝数比之前，首先要确定控制开关的占空比D。 把占空比D确定之后，根据(4-21)式就可以计算出反激式开关电源变压器的初、次级线圈的匝数比。 1ionUU DD?(4-20)44.33单端反激式结构 (1)oiU DnUD?(4-21)4.占空比D ooinUDnU U?(4-22)5.整流二极管所承受的最高反向电压iDP oUUUn?(4-23)44.33单端反激式结构4.3.5反激式电路优缺点1.优点反激式变压器开关电源的优点是电路比较简单，比正反激式变压器开关电源少用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管，因此，反激式变压器开关电源的体积要比正激式变压器开关电源的体积小，且成本也要降低。 反激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式变压器开关电源来说要高很多。 因此，反激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也比较小。 由于这些优点，目前，反激式变压器开关电源在家电领域中还是被广泛使用；只有一个开关管，只需要一组驱动脉冲，对控制电路的要求比双端的变换器低。 44.33单端反激式结构2.缺点单端反激式DC-DC变换器在开环情况下，其输出电压随着负载增大而增大。 因此，在开环情况下调试机器时，不允许不接负载开机，否则有击穿功率晶体管的危险；单端反激式DC-DC变换器的功率晶体管，在晶体管截止期间所受到的反向电压比较高。 44.33单端反激式结构4.4.1简介半桥式变压器开关电源属于双激式变压器开关电源，从原理上来说，半桥式变压器开关电源也属于推挽式变压器开关电源，它是多种推挽式变压器开关电源家庭成员之一。 在半桥式变压器开关电源中，是两个控制开关1S和2S轮流交替工作，开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。 半桥电路拓扑结构如图所示。 其主要优点是，开关管关断时承受电压为DCV，而不像推挽拓扑或单端正激变换器那样为2DCV。 因此，该拓扑在网压为220V的市场设备中得到广泛应用。 在电路中可以采用价格较低的双极型晶体管和场效应管，它们能承受336V的开路电压(即使考虑15%的裕量，承受电压也在范围之内)。 由于半桥式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半，因此，半桥式变压器开关电源比较适用于工作电压比较高的场合。 4.4半桥式电路结构4.4.2电路结构及工作原理图4-7半桥式电路原理图在图中1C和2C上的电压相等，而且等于输入电压的一半，即/2iU，需要注意的是两只功率晶体管的发射极是不连在一起的，因此，它们的基极驱动电路之间需要隔开，不能连在一起。 4.4半桥式电路结构工作过程1S与2S交替导通，使变压器一次侧形成幅值为/2iU的交流电压。 改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压du的平均值，也就改变了输出电压oU。 1S导通时，二极管VD1处于通态，2S导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 1S或2S导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。 1S和2S断态时承受的峰值电压均为iU。 4.4半桥式电路结构由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。 当滤波电感L的电流连续时21o oniUt NUN T?(4-24)如果输出电感电流不连续，输出电压oU将高于式(4-24)的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下212ioU NUN?(4-25)在实际应用中会在开关管1S和2S并联两只二极管VD1和VD2，这两个二极管称换向二极管，它有两个作用4.4半桥式电路结构 （1）半桥型DC/DC变换器在运行过程中，如负载突然开路，变压器的漏感和分布参数形成自激振荡，有可能在开关管两端产生瞬间过压，使其反向击穿损坏。 加入换向二极管后，两电极间电位最多只能高出0.7V左右，这样就防止了开关管因反向导通而损坏。 （2）当开关管刚截止时，换向二极管能将开关管导通时的变压器漏感储存的能量回送到输入电源，同时还能消除漏感形成的尖峰电压。 4.4半桥式电路结构4.4.3电路关键节点波形图4-8半桥电路的理想化波形4.4半桥式电路结构4.4.4主要参数计算方法1.半桥式开关电源储能滤波电感参数的计算两个控制开关1S、2S的占空比必须小于0.5，开关电源电源才能正常工作；当要求输出电压可调范围为最大时，占空比最好取值为0.25。 当两个控制开关1S、2S的占空比取值均为0.25时=0.252424i ioonU TnUL DIFI?时(4-26)20.256ionUU D?时(4-27)式中iU为半桥式变压器开关电源输入电压，oU为半桥式变压器开关电源的输出电压，T为控制开关的工作周期，F为控制开关的工作频率，n为开关电源次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比。 4.4半桥式电路结构2.半桥式开关电源储能滤波电容参数的计算当两个控制开关1S、2S的占空比取值均为0.25时0.258op pICTDU?时(4-28)式中oI是流过负载的电流，T为控制开关1S、2S的工作周期，p pU?为输出电压的波纹电压。 波纹电压p pU?一般都取峰-峰值，所以纹波电压正好等于电容器充电或放电时的电压增量，即2p pCU U?。 4.4半桥式电路结构3.半桥式开关电源变压器初级线圈匝数的计算81012abmUNSB?(4-29)8810101D=0.548ab immU UNFSBFSB?时(4-30)式中，N1为变压器初级线圈N1绕组最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位平方厘米)，mB为变压器铁心的最大磁感应强度(单位高斯)；abU为加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压，12ab iUU?，iU为开关电源的工作电压，单位为伏；onT?，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单位秒)。 4.4半桥式电路结构4.半桥式开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算222D=0.51paoi iUUNnN UU?时(4-31)式中，N1为变压器初级线圈N1绕组的匝数，N2为变压器次级线圈的匝数，oU输出电压的有效值，iU为直流输入电压，paU输出电压的半波平均值。 5.抗不平衡电容值计算虽然半桥型DC-DC变换器电路自身具有抗不平衡的能力，但在实际应用电路中，通常在高频变压器原边电路中，串入一只容量足够大的电容C，其作用是进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和。 电容C可用下式计算3.12oi CDTPCU U?(4-32)式中，CU?C两端电压变化量，一般取5%-10%的iU。 4.4半桥式电路结构4.4.5半桥式电路优缺点1.优点高频变压器利用率相对于单端正、反激式高；截止开关管极间承受电压低；抗不平衡能力强。 2.缺点加到高频变压器原边绕组上的电压是电容1C和2C两端电压，当1C和2C经变压器原边放电时，其电压要逐渐减小，所以输出脉冲电压的顶部呈倾斜状态；和推挽型电路相比较，输出功率较小。 4.4半桥式电路结构4.5.1简介在需要大功率的场合，众多DC-DC变换器拓扑中，首选全桥变换器。 因为在功率开关管电压和电流额定相同时，变换器的输出功率通常随开关管数量增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。 全桥变换器由四个功率开关管构成，主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正反向磁通，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效率和功率密度得到提高。 4.5全桥式电路结构4.5.2电路结构及工作原理全桥变换器具有功率开关器件所具有的电压、电流额定值较小、功率变压器效率高等优点，所以在实际中获得了广泛的应用，其电路结构如图4-9所示。 U0UiU0图4-9全桥电路结构原理图4.5全桥式电路结构直流电压iU施加在k 1、k 2、k 3、k4四只开关管组成的两个桥臂上，通过控制开关管的通断顺序以及通断时间，在变压器T的原边得到按某一占空比D变化的正负半周对称的交流方波电压。 如果变压器的变比为N，则交流方波电压经过高频变压器的隔离和电压变换(升压或降压)后，在变压器的副边对应得到一个幅值/iU N的交流方波电压，交流方波电压再通过输出整流桥变化为直流脉动方波电压，最后通过输出滤波将这个直流方波电压中的高频分量滤去，在输出端得到一个平直的直流电压，其电压值为?/oiUD UN?，其中?/2ON sDT T?为占空比。 通过调节占空比就可以方便的调节输出电压。 4.5全桥式电路结构早期的全桥变换器控制方式为双极性控制方式，工作在硬开关状态下。 开关管k1和k4，k2和k3同时开通和关断，两对开关管以PWM方式交替开通和关断，其开通时间均不超过半个开关周期，即它们的导通角小于180度。 当k1和k4导通时，k2和k3上的电压为iU。 反之亦然；当四个开关管都处于截止状态时，每个开关管承受的电压为/2iU。 这种控制方式中，功率变换是通过中断功率流和控制占空比的方式来实现的，其工作频率是恒定的；图4-10是全波整流输出全桥式变压器开关电源工作原理图；图4-11是输出电压可调的全桥式变压器开关电源工作原理图。 整流输出全桥式变压器开关电源的工作原理与整流输出推挽式变压器开关电源以及整流输出半桥式变压器开关电源的工作原理是非常接近的，只是变压器的激励方式与工作电源的接入方式有点不同。 4.5全桥式电路结构Ui0+U0图4-10全波整流输出全桥式开关电源原理结构图UiUU00图4-11输出电压可调的全桥式变压器开关电源工作原理图4.5全桥式电路结构全桥变换器PWM控制的实质就是在高频变压器原边得到一个交流方波电压，从而在高频变压器产生一个交流方波电压。 开关管控制方式的改进，无论是有限双极性控制还是移相控制，都是在满足以下两点的基础上进行的。 (1)保证得到的高频变压器原边的交流电压波形不变。 (2)同一桥臂的开关管，即K1和K3，K2和K4不发生直通现象。 因此可以考虑把其中一只开关管的开通时刻提前或将其关断时刻延后，只要开通的重叠时间不变，就能得到相同的电压方波。 4.5全桥式电路结构4.5.3电路关键节点波形其工作波形如图4-12所示。 可见，K1和K4同时导通，K2和K3同时导通，每只管子导通时间小于1/2开关周期。 V1是高频变压器的原边电压，V2是高频变压器的副边电压，Vr是经整流后的电压，Vo是经滤波后的直流电压。 图4-12电路关键节点波形图4.5全桥式电路结构4.5.4主要参数计算方法1.储能滤波电感参数的计算1212i iOOnU TnULI FI?(4-33)23iOnUU?(4-34)式4-33及4-34是计算输出电压可调的全桥式变压器开关电源储能滤波电感和滤波输出电压的表达式(D为0.25时)。 式中iU为全桥式变压器开关电源输入电压，OU为全桥式变压器开关电源的输出电压，T为控制开关的工作周期，F为控制开关的工作频率，n为开关电源次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比。 4.5全桥式电路结构2.储能滤波电容参数的计算8Op pICTU?(4-34)式4-34是输出电压可调的全桥式变压器开关电源中的储能滤波电容计算公式(D=0.25时)。 式4-34中OI是流过负载的电流，T为控制开关K1和K2的工作周期，p pU?为输出电压的波纹电压。 波纹电压p pU?一般都取峰-峰值，所以波纹电压正好等于电容器充电或放电时的电压增量，即2p pCU U?。 4.5全桥式电路结构3.变压器初级线圈匝数的计算全桥式开关电源的变压器铁心的磁感应强度B，可从负的最大值-Bm，变化到正的最大值+Bm，并且变压器铁心可以不用留气隙。 全桥式开关电源变压器的计算方法与前面推挽式开关电源变压器的计算方法基本相同，根据推挽式开关电源变压器初级线圈匝数计算公式(4-35)或(4-36)式81012imUNSB?(4-35)81014imUNFSB?(4-36)4.5全桥式电路结构式中，N1为变压器初级线圈N1绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位平方厘米)，Bm为变压器铁心的最大磁感应强度(单位高斯)；iU为开关电源的工作电压，即加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压，单位为伏；onT?，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单位秒)；F为工作频率，单位为赫兹，一般双激式开关电源变压器工作于正、反激输出的情况下，其伏秒容量必须相等，因此，可以直接用工作频率来计算变压器初级线圈N1绕组的匝数；F和?取值要预留20%左右的余量。 式中的指数是统一单位用的，选用不同单位，指数的值也不一样，这里选用CGS单位制，即长度为厘米(cm)，磁感应强度为高斯(Gs)，磁通单位为麦克斯韦(Mx)。 4.5全桥式电路结构4.交流输出全桥式开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算全桥式变压器开关电源如果用于DC/AC或AC/AC逆变电源，即把直流逆变成交流，或把交流整流成直流后再逆变成交流，这种逆变电源一般输出电压都不需要调整，工作效率很高。 请参考图4-10。 用于逆变的全桥式变压器开关电源一般输出电压OU都是占空比等于0.5的方波，由于方波的波形系数(有效值与半波平均值之比)等于1，因此，方波的有效值OU与半波平均值paU相等，并且方波的幅值pU与半波平均值paU也相等。 所以，只要知道输出电压的半波平均值就可以知道有效值，再根据半波平均值，就可以求得半桥式开关电源变压器初、次级线圈匝数比。 21paOi iUUNnN UU?(4-36)4.5全桥式电路结构5.直流输出电压非调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算直流输出电压非调整式全桥开关电源，就是在DC/AC逆变电源的交流输出电路后面再接一级整流滤波电路，请参考4-11。 这种直流输出电压非调整式全桥开关电源的两组控制开关K1和K 4、K2和K3的占空比与DC/AC逆变电源一样，一般都是0.5，整流输出电压的有效值OU与半波平均值paU基本相等。 因此，直流输出电压非调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比可直接利用(4-36)式来计算。 4.5全桥式电路结构6.直流输出电压可调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算直流输出电压可调整式全桥开关电源的功能就要求输出电压可调，因此，全桥式变压器开关电源的两组控制开关K 1、K4和K 2、K3的占空比必须要小于0.5；因为全桥式变压器开关电源正反激两种状态都有电压输出，所以在同样输出电压(平均值)的情况下，两组控制开关K 1、K4和K 2、K3的占空比相当于要小一倍。 当要求输出电压可调范围为最大时，占空比最好取值为0.25。 212 (1)OiU DNnN U?(D小于0.5时)(4-37)213OiU NnNU?(D为0.25时)(4-38)(4-37)、(4-38)式就是计算直流输出电压可调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的公式。 式中，N1为变压器初级线圈的最少匝数，N2为变压器次级线圈的匝数，OU为直流输出电压，iU为开关电源的工作电压。 4.5全桥式电路结构4.5.5全桥式电路优缺点1.优点对4个开关器件的耐压要求比推挽式变压器开关电源对两个开关器件的耐压要求可以降低一半；全桥式变压器开关电源，其输出功率要比推挽式变压器开关电源的输出功率大很多；全桥式变压器开关电源的变压器初级线圈只需要一个绕组。 4.5全桥式电路结构2.缺点功率损耗比较较大，因此，全桥式变压器开关电源不适宜用于工作电压较低的场合，否则工作效率会很低；当两组开关器件分别处于导通和截止过渡过程时，即两组开关器件都处于半导通状态时，相当于两组控制开关同时接通，它们会造成对电源电压产生短路；此时，在4个控制开关的串联回路中将出现很大的电流，而这个电流并没有通过变压器负载。 因此，在4个控制开关K 1、K4和K 2、K3同时处于过渡过程期间，4个开关器件将会产生很大的功率损耗。 4.5全桥式电路结构4.6.1简介在双激式变压器开关电源中，推挽式变压器开关电源是最常用的开关电源。 由于推挽式变压器开关电源中的两个控制开关K1和K2轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。 推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于DC/AC逆变器，或DC/DC转换器电路中。 4.6推挽式电路结构4.6.2电路结构及工作原理图4-134.6推挽式电路结构图4-13中，当控制开关K1接通时，电源电压iU通过控制开关K1被加到变压器初级线圈N1绕组的两端，通过电磁感应的作用在变压器次级线圈N3绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。 当控制开关K1由接通转为关断时，控制开关K2则由关断转为接通，此时电源电压iU被加到变压器初级线圈N2绕组的两端，通过互感在变压器次级线圈N3绕组的两端也输出一个与N2绕组输入电压成正比的电压oU，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。 由于电源电压iU加到变压器初级线圈N1绕组和N2两端产生磁通的方向正好相反，所以在负载上可得到一个与线圈N 1、N2绕组所加电压对应的正、负极性电压oU。 正半周对应的是K1接通时，N1绕组与N3绕组互相感应的输出电压；负半周对应的是K2接通时，N2绕组与N3绕组互相感应的输出电压。 4.6推挽式电路结构U0U021图4-14当要求推挽式变压器开关电源输出电压波形的反冲幅度很小时，可采用如图4-14所示的电路。 图4-14与图4-13相比，多了两个阻尼二极管D 1、D2，它们分别与控制开关K 1、K2并联。 当控制开关K1由接通转换到关断时，在N2线圈中产生的感应电动势e2，不管K2处于什么工作状态，接通或关断，只要N2线圈中产生的感应电动势e2的幅度超过工作电压Ui，二极管D2就会导通，相当于感应电动势e2通过二极管D2被工作电压Ui限幅，同时也相当于变压器次级线圈N3绕组输出电压uo也要通过电磁感应被Ui进行限幅，而二极管D2对控制开关K2的工作几乎不受影响。 4.6推挽式电路结构4.6推挽式电路结构4.6.3电路关键节点波形图4-15(a)和图图4-15(b)分别表示控制开关K1接通时，开关变压器初级线圈N1绕组两端的电压波形，和流过变压器初级线圈N1绕组两端的电流波形；图4-15(c)和图图4-15(d)分别表示控制开关K2接通时，开关变压器初级线圈N2绕组两端的电压波形，和流过开关变压器初级线圈N2绕组两端的电流波形；图4-15(e)和图4-15(f)分别表示控制开关K1和K2轮流接通时，开关变压器次级线圈N3绕组两端输出电压oU的波形，和流过开关变压器次级线圈N3绕组两端的电流波形。 4.6推挽式电路结构4.6.4主要参数计算方法1.初级线圈匝数的计算81012imUNSB?(4-39)81014imUNFSB?占空比D为0.5时(4-40)式中，1N为变压器初级线圈1N或2N绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位平方厘米)，mB为变压器铁心的最大磁感应强度(单位高斯)；iU为加到变压器初级线圈1N绕组两端的电压，单位为伏；onT?，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单位秒)；F为工作频率