半桥和全桥变换器拓扑——第五章

1、第五章第五章 半桥和全桥变换器拓扑半桥和全桥变换器拓扑 5.1 概述（概述（Introduction）5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑(Half-Bridge Converter Topology)5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑(Full-Bridge)本章小结本章小结第五章第五章 半桥和全桥变换器拓扑半桥和全桥变换器拓扑 5.1 5.1 概述概述 半桥和全桥开关变换器半桥和全桥开关变换器拓扑开关管的稳态关断拓扑开关管的稳态关断电压等于直流输入电压电压等于直流输入电压，而不是像推挽、单端正激，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。所有桥式拓扑或交错正激拓扑那样为输入的

2、两倍。所有桥式拓扑广泛应用于直接电网的离线式变换器。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，桥式变换器的另一个优点是，能将变压器初级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储存的能量归还到输入母线，而不是消耗于电阻元件。件。5.2 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑5.2.1 工作原理工作原理整流和滤波整流和滤波S1断开时，输入为断开时，输入为220V交流电，电交流电，电路为全波整流电路，滤波电容路为全波整流电路，滤波电容C1和和C2串联，整流得到的直流电压分子串联

3、，整流得到的直流电压分子约为约为1.41*220-2=308V；当当S1闭合时，输入为闭合时，输入为120V交流电压，交流电压，电路相当于一个倍压整流器。电路相当于一个倍压整流器。在输在输入电压的正半周，入电压的正半周，A点相对于点相对于B点为点为正，电源通过正，电源通过D1给给C1充电，充电，C1电压电压为上正下负，峰值约为为上正下负，峰值约为1.41*120-1=168V；在输入电压的下半周，；在输入电压的下半周，A点电压相对于点电压相对于B点电压为负，电源通点电压为负，电源通过过D2给给C2充电，充电，C2电压为上正下负，电压为上正下负，峰值也为峰值也为168V，两个电容串联的输，两个电

4、容串联的输出为出为336V.5.2 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑工作原理工作原理从图从图3.1 可见，当任何一个晶可见，当任何一个晶体管导通时，体管导通时，另一个关断的晶另一个关断的晶体管承受的电压只是最大直流体管承受的电压只是最大直流输入电压，输入电压，而非其两倍。而非其两倍。首先忽略小容量阻断电容首先忽略小容量阻断电容Cb，则，则Np下端下端可近似地看作连接到可近似地看作连接到C1和和C2的连接点。若的连接点。若C1、C2的容量基本相等，则连接处的电压的容量基本相等，则连接处的电压近似为整流输出电压的一半，约为近似为整流输出电压的一半，约为168V。通常的做法是在通常的做法是在C1

5、、C2的两端各并接等值的两端各并接等值放电电阻来均衡两者的电压。放电电阻来均衡两者的电压。图图3.1中的开中的开关关Q1和和Q2轮流导通半个周期。轮流导通半个周期。Q1导通导通Q2关断时，关断时，Np的同名端（有点端）电压为的同名端（有点端）电压为168V，Q2承受电压为承受电压为336V；同理，；同理，Q2导导通通Q1关断时，关断时，Q1承受电压为承受电压为336V，此时，此时Np同名端电压为同名端电压为-168V。5.2 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑5.2.2 半桥变换器磁设计半桥变换器磁设计1、最大导通时间、磁心尺寸和初级绕组匝数的选择、最大导通时间、磁心尺寸和初级绕组匝数的选择

6、l 输入电压最小或不正常工作状态时，最大导通时间不超过0.8T/2l 磁心选择（见磁路设计）l 假定最低输入电压为（Vdc/2）-1，最大导通时间为0.8T/2，在已知磁心种类和磁心面积的情况下，可通过法拉第定律计算出初级绕组数。其中dB值为峰值磁密期望值的两倍。(正激变换器磁心只工作在磁滞回线的第一象限，而半桥变换器工作于第一、三象限，所以是其两倍)2、初级电流、输出功率、输入电压之间的关系、初级电流、输出功率、输入电压之间的关系 设效率为80，则 电源输入电压最低时，输入功率等于初级电压最小值与对应的初级电流平均的乘积。即 1.25Po=(Vdc/2)(Ipft)(0.8T/T)5.2 5

7、.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑3、初级线径的选择、初级线径的选择半桥拓扑初级电流有效值半桥拓扑初级电流有效值 ，由式（，由式（3.1）可得）可得4、次级绕组匝数和线径的选择、次级绕组匝数和线径的选择由式由式(2.1)式式(2.3)可以计算次级绕组匝数。其中，可以计算次级绕组匝数。其中， 式中的式中的Vdc-1需替换为初级最小电压值需替换为初级最小电压值Vdc/2-1半桥变换器次级电流有效值和线径可通过式半桥变换器次级电流有效值和线径可通过式(2.13)和式和式(2.14)计算。计算。5.2 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑5.2.3 输出滤波器的设计由于对输出电感电流幅值和输出纹波电压

8、的要求与推挽电路一样，可参照式(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中初级串联小电容Cb是为了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。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，若在半桥电路中，若C1、C2接点处电压不能精确到电源电压的一半，接点处电压不能精确到电源电压的一半，则则Q1导通时初级承受的电压将与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。回线正向或反向持续增加直至使磁心饱和，损坏开关管。5.2

9、 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑5.2.4 防止磁通不平衡的阻断电容的选择防止磁通不平衡的阻断电容的选择磁通不平衡原因：初磁通不平衡原因：初级存在直流分量。级存在直流分量。解决办法：初级串联小解决办法：初级串联小容值的直流阻断电容。容值的直流阻断电容。电流电流Ipft流过时，该电流过时，该电容被充电，该电压使初容被充电，该电压使初级平顶脉冲电压有所下级平顶脉冲电压有所下降，如图降，如图3.2所示。所示。设允许的下降量为设允许的下降量为dV，产生该压降的等效平顶脉冲电流为式，产生该压降的等效平顶脉冲电流为式(3.1)中的中的Ipft，而流通该电流的时间为而流通该电流的时间为0.8T/2，所

10、需的阻断电容值可用下式得到，所需的阻断电容值可用下式得到3.2 3.2 正激变换器正激变换器5.2.4 防止磁通不平衡的阻断电容的选择防止磁通不平衡的阻断电容的选择例：一个功率为例：一个功率为150W的半桥电路，额定直流输入电压为的半桥电路，额定直流输入电压为320V，频率为，频率为100kHz，设有，设有15的网压波动，最小输入电压为的网压波动，最小输入电压为272V，则初级电压应，则初级电压应为为272/2 136V。初级平顶脉冲电压的允许下降量约为初级平顶脉冲电压的允许下降量约为10，即约为，即约为14V，又已知功率为，又已知功率为150W，Vdc=272V，Ipft=3.13150/2

11、72=1.73A，由式（，由式（3.4）可得）可得61.73 0.8 5 10/140.49bCF 注意：该电容必须为非极性电容。注意：该电容必须为非极性电容。5.2 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑5.2.5 半桥变换器的漏感问题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和和Q2分别并联了二极管分别并联了二极管D5、D6，将开关管承受的漏感尖峰电压钳位于，将开关管承受的漏感尖峰电压钳位于Vdc。Q1导通时，负载电流和励磁电流流过导通时，负载电流和励磁电流流过Q1、变压器、变压器T

12、1的漏感、的漏感、Np的励磁电感及按匝比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，最后流经平方折算到初级的次级负载等效阻抗，最后流经Cb到达到达C1、C2连接点，连接点，Np同名端电同名端电压为正。压为正。Q1关断时，励磁电感强迫使所有绕组电压极性反向，关断时，励磁电感强迫使所有绕组电压极性反向，Np同名端电压力图变同名端电压力图变得很负，使得很负，使Q1承受远大于承受远大于Vdc的电压并使的电压并使Q2承受反压，造成两个开关管的损坏。但承受反压，造成两个开关管的损坏。但由于由于D6的钳位作用，的钳位作用，Np的同名端电压就不会低于负母线电压。的同名端电压就不会低于负母线电压。5.2

13、 5.2 半桥变换器拓扑半桥变换器拓扑5.2.6 半桥变换器与双端正激变换器的比较半桥变换器与双端正激变换器的比较两者承受的关断电压同样为两者承受的关断电压同样为Vdc，广泛应用于电源网压为，广泛应用于电源网压为220V的市场。的市场。区别：区别：l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电感L、电容、电容C的数值小很多。的数值小很多。l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正

14、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。一半。半桥变换器绕组的成本较低，寄生电容更小。5.3 5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑5.3.1 基本工作原理基本工作原理全桥变换器最主要的全桥变换器最主要的优点：优点：其初级施加的其初级施加的是幅值为是幅值为Vdc的方波的方波电压，而非半桥变换电压，而非半桥变换器的器的Vdc/2，但其开，但其开关管承受的关断电压关管承受的关断电压却与半桥变换器相同，却与半桥变换器相同，等于最大输入直流电等于最大输入直流电压。压。5.3 5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑电路工作过程：斜对角的两个开关管

15、（电路工作过程：斜对角的两个开关管（Q2和和Q3或或Q4和和Q1）同时导通，两组开关管交替导通半个周期，若忽略开关管的同时导通，两组开关管交替导通半个周期，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导通压降，则施加到变压器初级电压是幅值为Vdc、宽度为、宽度为ton的交变方波。的交变方波。网压和负载变化时，反馈环检测输出电压网压和负载变化时，反馈环检测输出电压Vom的变化并调节的变化并调节ton，以维持输出电压以维持输出电压Vom不变。不变。5.3 5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑设每个开关管的导通压降为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，主输出肖特基

16、整流管的导通压降为0.5V,，辅助整流管导通压降也为辅助整流管导通压降也为1V，则变换器输出为，则变换器输出为5.3 5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑5.3.2 全桥变换器磁设计全桥变换器磁设计存在问题：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。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。解决办法解决办法：选择开关管的最大导通时间不超过半周期的选择开关管的最大导通时间不超过半周期的80l 磁心尺寸和工作频率根据磁心频率表选择。磁心尺寸和工作频率根据磁心频率表选择。l 根据法拉第定律计算初级匝数根据法拉第定律计算初级匝数Np，其中，其中E是初级最低电压

17、是初级最低电压E=Vdc-2，dB是所选的是所选的0.8T/2（dt）时间内的磁通变化。频率低于）时间内的磁通变化。频率低于50kHz时，时，选择选择dB=3200G(-1600G1600G)1、最大导通时间、磁心尺寸和初级绕组匝数的选择、最大导通时间、磁心尺寸和初级绕组匝数的选择5.3 5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑2、初级电流、输出功率和输入电压的关系初级电流、输出功率和输入电压的关系设变换器效率为设变换器效率为80，则输出功率为，则输出功率为Po=0.8Pin，输入电压为最小值，输入电压为最小值Vdc时，每半个周期开关管的导通时间为时，每半个周期开关管的导通时间为0.8T/2，忽略开关管的导通，忽略开关管的导通压降，则输入功率为压降，则输入功率为式中式中Ipft为前面定义的初级等效平顶脉冲电流幅值。为前面定义的初级等效平顶脉冲电流幅值。5.3 5.3 全桥变换器拓扑全桥变换器拓扑3、初级线径的选择、初级线径的选择占空比为占空比为0.8，电流，电