半桥和全桥变换器拓扑――第五章

1、不隔离空B降压、升压、降-升 压、库克凭换器单端11反激、正激双端推挽、半桥.全桥第五章半桥和全桥变换器拓扑5.1 概述(Introduction)5.2 半桥变换器拓扑(Half-Bridge ConverterTopology)5.3全桥变换器拓扑(Full-Bridge)本章小结5.1概述半桥和全桥开关变换器拓扑开关管的稳态关断 电压等于直流输入电压，而不是像推挽、单端正激 或交错正激拓扑那样为输入的两倍。所有桥式拓扑 广泛应用于直接电网的离线式变换器。桥式变换器的另一个优点是，能将变压器初级 侧的漏感尖峰电压钳位于直流母线电压，并将漏感 储存的能量归还到输入母线，而不是消耗于电阻元 件

2、。C2申联，整流得到的直流电压分子 约为 1.41*220-2=308V；Qlon图3半靳变按变压羽的 调過辻fiift用斷电容QU谑汝电容Cl、C2 >H连.另光 邸:开关Tt QI. Q2的连接点.功率品体能QI、Q2交替&通.当开关S1闭合対 也8为而晰开时剋路为全波裕血!胳浊后的输出电压約为当S1闭合时，输入为120V交流电压， 电路相当于一个倍压整流器。在输 入电压的正半周，A点相对于B点为 正，电源通过D1给C1充电，C1电压 为上正下负，峰值约为1.41*120 1=168V；在输入电压的下半周，A 点电压相对于B点电压为负，电源通 过D2给C2充电，C2电压为上正

3、下负, 峰值也为168V,两个电容串联"3 出为336V.rL_jL_n_ “工作原理(3.1)从图3.1可见，当任何一个晶 体管导通时.另一个关断的晶 体管承受的电压只是最大直流 输入电压.而非其两倍。首先忽略小容虽阻断电容Cb.则Np下端 可近似地看作连接到C1和C2的连接点。若 CK C2的容量基本相等，则连接处的电压 近似为整流输出电压的一半，约为168V。通常的做法是在CX C2的两端各并接等值 放电电阻来均衡两者的电压。图3/1中的开 关Q1和Q2轮流导通半个周期。Q1导通Q2 关断时，Np的同名端（有点端）电压为+ 168V, Q2承受电压为336V；同理，Q2导 通Q

4、1关断时，CH承受电压为336V,此时 Np同名端电压为-168V.5. 2半桥变换器拓扑522半桥变换器磁设计K 最大导通时间、磁心尺寸和初级绕组匝数的选择输入电压最小或不正常工作状态时，最磁心选痒（见磁路设计）假定最低输入电斥为（迤/2）最* 心种类和磁心面积的悄况可通过法; 其'PdBfA为峰位磁密期望值的两倍。（I 线的第-彖限，而半桥变换器I.作于第2初级电流.输出功率、输入电庄乙冋mj大刑设效率为80%,贝UInput power = 1.25P。电源输入电压最低时，输入功率等r初级电用最小值与对应的初级电流 平均的乘积。即1.25P日Vdc（l（08T/T）3.13 几j

5、1pfli half bridge） rry Hr*3、初级线径的选择半桥拓扑初级电流有效值Jus =从/0丽図，由式(3.1)可得2.79P。(3.2)4、次级绕组匝数和线径的选择由式(2.1)式(2.3)可以计算次级绕组匝数。其中,= 0.8772式中的Vdc-1需替换为初级最小电 MVdc/2-1半桥变换器次级电流有效值和线径可通过式(2.13)和式(214)计算。5. 2半桥变换器拓扑5.2.3输出滤波器的设计rti 对输出电感电流临值和输出纹波电爪的耍求与推挽电路 样，可参照或(2.20)和式(2.22)计算。5.2.4防止磁通不平衡的阻断电容的选择图3.1屮初级串联小电容Cb是为了

6、避免磁通不平衡问题。磁通不平衡在初级置位伏秒数与复位伏秒数不相等时发生。在半桥电路中，若Ck C2接点处电压不能梢确到电源电压的一半， 则Q1导通时初级承受的电压将与Q2导通时的不相等，磁通会沿磁滞 回线正向或反向持续增加直至使磁心饱和损坏开关管。磁通不平衡原因：初 级存在直流分量。图32若滤波电容的节点处的电压不能秸确到电沁电压的 半.则为防止磴通不平鼻 必须在半桥变换器初级出联小容值皿断电容0 初级电涼对该电容充电.导致初级电压下隔下降幅度不縄该i£it 10% （dV为允许的下降凤）5.2.4防止磁通不平衡的阻断电容的选择解决办法：初级串联 小容值的直流阻断电 容。电流ipft

7、流过时， 该电容被充电，该电 压使初级平顶脉冲电 压有所下降，如图32 所示。4 x 0.8T/2设允许的下降量为dV,产生该压降的等效平顶脉冲电流为式（3/1）中的IpfL 而流通该电流的时间为0.8T/2,所需的阻断电容值可用下式得到(3.4)3.2正激变换器5.2.4防止磁通不平衡的阻断电容的选择例：一个功率为150W的半桥电路，额定直流输入电压为320V,频率为 100kHz设有15%的网压波动，最小输入电压为272V,则初级电压应 为土 272/2= ±136Vo初级平顶脉冲电压的允许下降量约为10%,即约为14V,又已知功率为150W, Vdc=272V, lpft=3.

8、13X150/272=1.73A,由式（34）可得Cb = 1.73x0.8x5x10/14 = 0.49/F注意：该电容必须为非极性电容。5.2.5半桥变换器的漏感问题半桥变换器不存在像单端正激和推挽拓扑中的漏感尖峰问题，因为开关管Q1和CH导逋时，负载电流和励磁电流流过CH、变压器T"!的漏感、Np的励磁电感及按匝比 平方折算到初级的次级负载等效阻抗，最后流经Cb到达C仁C2连接点，Np同名端电 压为正。Q1关断时，励磁电感强迫使所有绕组电压极性反向，Np同名端电压力图变 得很负，使6承受远大于Vdc的电压并使Q2承受反压，造成两个开关管的损坏。但 由于D6的钳位作用，Np的同名

9、端电压就不会低于负母线电压。5. 2半桥变换器拓扑两者承受的关断电压同样为Vdc,广泛应用于电源网压为220V的市场。区别:半桥变换器次级输出为全波而非双端正激变换器输出的半波，因此 半桥变换器的方波频率是正激变换器的两倍，从而使半桥变换器输出 电感L、电容C的数值小很多。正激变换器次级峰值电压比半桥变换器高，因为占空比只有半桥的 一半。半桥变换器绕组的成本较低，寄生电容更小。5.3.1基本工作原理图33全桥变怏器州扑。功率交爪卅门接在上关Q2接点与Q3. 04按点圧® 同期内Q2、Q3 士 Q4、Q1交皆好迪，导如时何儿调。变虫牌初级电压为力做福泊为 土厶，不冋于半桥的±

10、心/2所以全桥吱換?S的飆逹WHE功率为半桥能两倍全桥变换器最主要的 优点：其初级施加的 是幅值为土Vdc的方波 电压，而非半桥变换 器的士Vdc/2,但其开 关管承受的关断电压 却与半桥变换器相同， 等于最大输入直流电 压。5. 3全桥变换器拓扑电路工作过程斜对角的两个开关管（02和03或04和01） 同时导通.两组开关骨交替导通半个周期，若忽略开关管的 导通压降，则施加到变压器初级电压是幅值为Vdc、宽度为 ton的交变方波。网压和负载变化时，反馈环检测输出电压Vom的变化并调节tom 以维持输出电压Vom不变。设每个开关管的导通压降为1V,主输出肖特基整流管的导通压降为0.5V” 辅助整

11、流管导通压降也为1V,则变换器输出为(3.5a)(3.5d)(3.6a)(3.6b)5. 3全桥变换器拓扑5.3.2全桥变换器磁设计1、最大导通时间、磁心尺寸和初级绕组匝数的选择存在问题：若垂直桥臂上下两管同时导通，则会将电源短路从而损坏开关管。解决办法：选择开关管的最大导通时间不超过半周期的80%磁心尺寸和工作频率根摇磁心一频率表选择。根据法拉第定律计算初级匝数Np,其中E是初级最低电压E=Vdc-2, dB是所选的0.8T/2 (dt)时间内的磁通变化。频率低于50kHz时， 选择 dB=3200G(-1600G 1600G)2、初级电流、输出功率和输入电压的关系设变换器效率为80%,则输出功率为Po=0.8Pin,输入电压为最小值 迤时，每半个周期开关骨的导通时间为0.8T/2,忽略开关管的导通 压降，则输入功率为125巴- Vdc(0.8Vpfl =1 HRP(3.7)式中Ipft为前面定义的初级等效平顶脉冲电流幅值。5. 3全桥变换器拓扑