基于全桥式变压器开关电源设计的分析

　　1  全桥式变压器开关电源的工作原理

　　全桥式变压器开关电源工作原理与推挽式变压器开关电源以及半桥式变压器开关电源的工作原理是很相似的，我下面先来了解全桥式变压器开关电源工作原理。如下图1所示是全桥式变压器开关电源工作原理图。图中，K1、K2、K3、K4是4个控制开关，它们被分成两组；K1和K4为一组，K2和K3为另一组。开关电源工作的时候，总是一组接通，另一组关断，两组控制开关轮流交替工作；T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈；Ui为直流输入电压，R为负载电阻；uo为输出电压，io为流过负载的电流。

　　从上面的原理图中可以看出，控制开关K1和K4与控制开关K2和K3正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。因此，我们把图1的电路称为全桥式开关电源电路。图中，当控制开关K1和K4接通时候，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，同时，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压Ui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。

　　当控制开关控制开关K1和K4由接通转为关断的时候，控制开关K2和K3则由关断转为接通，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端；同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2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负半周电压。

　　当控制开关K1和K4接通时候，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，在变压器初级线圈N1绕组中将有电流经过，通过电磁感应会在变压器的铁心中产生磁场，并产生磁力线；同时，在初级线圈N1绕组的两端要产生自感电动势e1,在次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2;感应电动势e2作用于负载R的两端，从而产生负载电流。

　　2  全桥式开关电源变压器参数的计算

　　全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，同样可以用于全桥式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的计算。

　　2.1全式开关电源变压器初级线圈匝数的计算

　　全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：

　　由上面的公式看出，虽然是用来计算推挽式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的公式，但对于全桥式变压器开关电源变压器初级线圈匝数的计算同样有效。

　　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）；Ui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；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）。

　　2.2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。

　　用于逆变的全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。

　　2.3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1-48.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K4、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Uo与半波平均值Upa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如下公式来计算。即：

　　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4个开关器件接通时的电压降。

　　2.4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K1、K4和K2、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K1、K4和K2、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.如下公式：

　　上面的公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，Uo为直流输出电压，Ui为开关电源的工作电压。

　　3  全桥式开关电源的优、劣势

　　3.1全桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高。

　　全桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两组开关器件轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，全桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小，仅需要一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压。

　　3.2全桥式开关电源的优点是开关管的耐压值特别的低。

　　全桥式变压器开关电源最大的优点是，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。因为，全桥式变压器开关电源4个开关器件分成两组，工作时2个开关器件互相串联，关断时，每个开关器件所承受的电压，只有单个开关器件所承受电压的一半。其最高耐压等于工作电压与反电动势之和的一半，这个结果正好是推挽式变压器开关电源两个开关器件耐压的一半。

　　3.3全桥式变压器开关电源主要用于输入电压比较高的场合，在输入电压很高的情况下，

　　采用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。因此，一般电网电压为交流220伏供电的大功率开关电源大部分都是使用全桥式变压器开关电源。而在输入电压较低的情况下，推挽式变压器开关电源的输出功率又要比全桥式变压器开关电源的输出功率大很多。

　　3.4全桥式变压器开关电源的电源利用率比推挽式变压器开关电源的电源利用率低一些，

　　因为2组开关器件互相串联，两个开关器件接通时总的电压降要比单个开关器件接通时的电压降大一倍；但比半桥式变压器开关电源的电源利用率高很多。因此，全桥式变压器开关电源也可以用于工作电源电压比较低的场合。

　　3.5与半桥式开关电源一样，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，这也是它的优点，这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些方便。但对于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势，因为，大功率开关电源变压器的线圈需要用多股线来绕。

　　3.6全桥式变压器开关电源的缺点主要是功率损耗比较较大，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。另外，全桥式变压器开关电源中的4个开关器件连接没有公共地，与驱动信号连接比较麻烦。

　　3.7全桥式开关电源的缺点是会出现半导通区，损耗大。

　　全桥式开关电源最大的缺点是，当两组控制开关K1、K4和K2、K3处于交替转换工作状态的时候，4个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域，即两组控制开关同时处于接通状态。这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程；而开关器件从导通状态转换到截止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程。

　　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K1、K4和K2、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。为了降低控制开关过渡过程产生的损耗，一般在全桥式开关电源电路中，都有意让两组控制开关的接通和截止时间错开一小段时间。
    
    4  结论

　　在实际应用中，为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关器件击穿，降低开关器件半导通状态期间的损耗和全桥式变压器开关电源输出电压波形的反冲幅度，一般可在图1中4个控制开关，每个控制开关的两端都并联一个阻尼二极管。全桥式变压器开关电源的交流输出波形与推挽式变压器开关电源以及半桥式变压器开关电源的交流输出波形也基本相同。