开关电源原理与设计（连载41）半桥式开关电源变压器参数的计算

      1-8-2-5．半桥式开关电源变压器参数的计算

      半桥式变压器开关电源的工作原理与推挽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；因此，用于计算推挽式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的数学表达式，只需稍微修改就可以用于半桥式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的计算。

      A）半桥式开关电源变压器初级线圈匝数的计算

      半桥式变压器开关电源与推挽式开关电源一样，也属于双激式开关电源，因此用于半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。半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，只是直接加到变压器初级线圈两端的电压仅等于输入电压Ui的二分之一。根据推挽式开关电源变压器初级线圈匝数计算公式（1-150）和（1-151）式：

      设直接加到半桥式开关电源变压器初级线圈两端的电压为Uab，且Uab =Ui/2 ，则上面（1-150）和（1-151）式可以改写为：

      上面（1-174）和（1-175）式就是计算半桥式开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的公式。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）；Uab为加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压，Uab =Ui/2 ，Ui为开关电源的工作电压，单位为伏；τ = Ton，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，单位为赫芝，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τ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）。

      B）交流输出半桥式开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算

      半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，因此电路相对比较简单，工作效率很高。请参考图1-36、图1-38、图1-39。

      用于逆变的半桥式变压器开关电源一般输出电压uo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Uo与半波平均值Upa相等，并且方波的幅值Up与半波平均值Upa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。

      根据前面分析，半桥式变压器开关电源的输出电压uo，主要由开关电源变压器次级线圈输出的正激电压来决定。因此，根据（1-158）、（1-159）、（1-161）等式其中一式就可以出半桥式变压器开关电源的输出电压的半波平均值。由此求得半桥式逆变开关电源变压器初、次级线圈匝数比：

      n =N2/N1 =2Uo/Ui = 2Upa/Ui —— 次/初级变压比，D = 0.5时 （1-176）

      （1-176）式就是计算半桥式逆变开关电源变压器初、次级线圈匝数比的公式。式中，N1为变压器初级线圈N1绕组的匝数，N2为变压器次级线圈的匝数，Uo输出电压的有效值，Ui为直流输入电压，Upa输出电压的半波平均值。

      （1-176）式还没有考虑变压器的工作效率，当把变压器的工作效率也考虑进去时，最好在（1-176）式的右边乘以一个略大于1的系数。

      C）直流输出电压非调整式半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半桥开关电源，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1-43、图1-44、图1-45。这种直流输出电压非调整式半桥开关电源的控制开关K1、K2的占空比与DC/AC逆变电源一样，一般都是0.5，因此，直流输出电压非调整式半桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比可直接利用（1-176）式来计算。即：

      n =N2/N1 =2Uo/Ui = 2Upa/Ui —— 次/初级变压比，D = 0.5时 （1-176）

      不过，在低电压、大电流输出的情况下，一定要考虑整流二极管的电压降和变压器的工作效率。

      D）直流输出电压可调整式半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半桥开关电源的功能就要求输出电压可调，因此，半桥式变压器开关电源的两个控制开关K1、K2的占空比必须要小于0.5；因为半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，两个控制开关K1、K2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。根据（1-140）和（1-145）式，并把输入电压Ui换成Uab可求得：

      （1-177）、（1-178）式，就是计算直流输出电压可调整式半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N1绕组的最少匝数，N2为变压器次级线圈的匝数，Uo为直流输出电压，Uab为加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压，Uab =Ui/2 ，Ui为开关电源的工作电压。

      同样，在低电压、大电流输出的情况下，一定要考虑变压器的工作效率以及整流二极管的电压降和开关器件接通时的电压降。