半橋和全橋變換器拓?fù)?mdash;—第五章

1、第五章第五章 半橋和全橋變換器拓?fù)浒霕蚝腿珮蜃儞Q器拓?fù)?5.1 概述（概述（Introduction）5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?Half-Bridge Converter Topology)5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)?Full-Bridge)本章小結(jié)本章小結(jié)第五章第五章 半橋和全橋變換器拓?fù)浒霕蚝腿珮蜃儞Q器拓?fù)?5.1 5.1 概述概述 半橋和全橋開關(guān)變換器半橋和全橋開關(guān)變換器拓?fù)溟_關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷拓?fù)溟_關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓電壓等于直流輸入電壓，而不是像推挽、單端正激，而不是像推挽、單端正激或交錯(cuò)正激拓?fù)淠菢訛檩斎氲膬杀?。所有橋式拓?fù)浠蚪诲e(cuò)正激拓?fù)淠菢訛檩斎氲?/p>

2、兩倍。所有橋式拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于直接電網(wǎng)的離線式變換器。廣泛應(yīng)用于直接電網(wǎng)的離線式變換器。 橋式變換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，橋式變換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能將變壓器初級能將變壓器初級側(cè)的漏感尖峰電壓鉗位于直流母線電壓，并將漏感側(cè)的漏感尖峰電壓鉗位于直流母線電壓，并將漏感儲存的能量歸還到輸入母線，而不是消耗于電阻元儲存的能量歸還到輸入母線，而不是消耗于電阻元件。件。5.2 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?.2.1 工作原理工作原理整流和濾波整流和濾波S1斷開時(shí)，輸入為斷開時(shí)，輸入為220V交流電，電交流電，電路為全波整流電路，濾波電容路為全波整流電路，濾波電容C1和和C2串聯(lián)，整流得到的直流電壓分子串聯(lián)

3、，整流得到的直流電壓分子約為約為1.41*220-2=308V；當(dāng)當(dāng)S1閉合時(shí)，輸入為閉合時(shí)，輸入為120V交流電壓，交流電壓，電路相當(dāng)于一個(gè)倍壓整流器。電路相當(dāng)于一個(gè)倍壓整流器。在輸在輸入電壓的正半周，入電壓的正半周，A點(diǎn)相對于點(diǎn)相對于B點(diǎn)為點(diǎn)為正，電源通過正，電源通過D1給給C1充電，充電，C1電壓電壓為上正下負(fù)，峰值約為為上正下負(fù)，峰值約為1.41*120-1=168V；在輸入電壓的下半周，；在輸入電壓的下半周，A點(diǎn)電壓相對于點(diǎn)電壓相對于B點(diǎn)電壓為負(fù)，電源通點(diǎn)電壓為負(fù)，電源通過過D2給給C2充電，充電，C2電壓為上正下負(fù)，電壓為上正下負(fù)，峰值也為峰值也為168V，兩個(gè)電容串聯(lián)的輸，兩個(gè)電

4、容串聯(lián)的輸出為出為336V.5.2 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)涔ぷ髟砉ぷ髟韽膱D從圖3.1 可見，當(dāng)任何一個(gè)晶可見，當(dāng)任何一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí)，體管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)關(guān)斷的晶另一個(gè)關(guān)斷的晶體管承受的電壓只是最大直流體管承受的電壓只是最大直流輸入電壓，輸入電壓，而非其兩倍。而非其兩倍。首先忽略小容量阻斷電容首先忽略小容量阻斷電容Cb，則，則Np下端下端可近似地看作連接到可近似地看作連接到C1和和C2的連接點(diǎn)。若的連接點(diǎn)。若C1、C2的容量基本相等，則連接處的電壓的容量基本相等，則連接處的電壓近似為整流輸出電壓的一半，約為近似為整流輸出電壓的一半，約為168V。通常的做法是在通常的做法是在C1

5、、C2的兩端各并接等值的兩端各并接等值放電電阻來均衡兩者的電壓。放電電阻來均衡兩者的電壓。圖圖3.1中的開中的開關(guān)關(guān)Q1和和Q2輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。Q1導(dǎo)通導(dǎo)通Q2關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，Np的同名端（有點(diǎn)端）電壓為的同名端（有點(diǎn)端）電壓為168V，Q2承受電壓為承受電壓為336V；同理，；同理，Q2導(dǎo)導(dǎo)通通Q1關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，Q1承受電壓為承受電壓為336V，此時(shí)，此時(shí)Np同名端電壓為同名端電壓為-168V。5.2 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?.2.2 半橋變換器磁設(shè)計(jì)半橋變換器磁設(shè)計(jì)1、最大導(dǎo)通時(shí)間、磁心尺寸和初級繞組匝數(shù)的選擇、最大導(dǎo)通時(shí)間、磁心尺寸和初級繞組匝數(shù)的選擇

6、l 輸入電壓最小或不正常工作狀態(tài)時(shí)，最大導(dǎo)通時(shí)間不超過0.8T/2l 磁心選擇（見磁路設(shè)計(jì)）l 假定最低輸入電壓為（Vdc/2）-1，最大導(dǎo)通時(shí)間為0.8T/2，在已知磁心種類和磁心面積的情況下，可通過法拉第定律計(jì)算出初級繞組數(shù)。其中dB值為峰值磁密期望值的兩倍。(正激變換器磁心只工作在磁滯回線的第一象限，而半橋變換器工作于第一、三象限，所以是其兩倍)2、初級電流、輸出功率、輸入電壓之間的關(guān)系、初級電流、輸出功率、輸入電壓之間的關(guān)系 設(shè)效率為80，則 電源輸入電壓最低時(shí)，輸入功率等于初級電壓最小值與對應(yīng)的初級電流平均的乘積。即 1.25Po=(Vdc/2)(Ipft)(0.8T/T)5.2 5

7、.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?、初級線徑的選擇、初級線徑的選擇半橋拓?fù)涑跫夒娏饔行е蛋霕蛲負(fù)涑跫夒娏饔行е?，由式（，由式（3.1）可得）可得4、次級繞組匝數(shù)和線徑的選擇、次級繞組匝數(shù)和線徑的選擇由式由式(2.1)式式(2.3)可以計(jì)算次級繞組匝數(shù)。其中，可以計(jì)算次級繞組匝數(shù)。其中， 式中的式中的Vdc-1需替換為初級最小電壓值需替換為初級最小電壓值Vdc/2-1半橋變換器次級電流有效值和線徑可通過式半橋變換器次級電流有效值和線徑可通過式(2.13)和式和式(2.14)計(jì)算。計(jì)算。5.2 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?.2.3 輸出濾波器的設(shè)計(jì)由于對輸出電感電流幅值和輸出紋波電壓

8、的要求與推挽電路一樣，可參照式(2.20)和式(2.22)計(jì)算。5.2.4 防止磁通不平衡的阻斷電容的選擇圖3.1中初級串聯(lián)小電容Cb是為了避免磁通不平衡問題。磁通不平衡在初級置位伏秒數(shù)與復(fù)位伏秒數(shù)不相等時(shí)發(fā)生。磁通不平衡在初級置位伏秒數(shù)與復(fù)位伏秒數(shù)不相等時(shí)發(fā)生。在半橋電路中，若在半橋電路中，若C1、C2接點(diǎn)處電壓不能精確到電源電壓的一半，接點(diǎn)處電壓不能精確到電源電壓的一半，則則Q1導(dǎo)通時(shí)初級承受的電壓將與導(dǎo)通時(shí)初級承受的電壓將與Q2導(dǎo)通時(shí)的不相等，磁通會沿磁滯導(dǎo)通時(shí)的不相等，磁通會沿磁滯回線正向或反向持續(xù)增加直至使磁心飽和，損壞開關(guān)管?；鼐€正向或反向持續(xù)增加直至使磁心飽和，損壞開關(guān)管。5.2

9、 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?.2.4 防止磁通不平衡的阻斷電容的選擇防止磁通不平衡的阻斷電容的選擇磁通不平衡原因：初磁通不平衡原因：初級存在直流分量。級存在直流分量。解決辦法：初級串聯(lián)小解決辦法：初級串聯(lián)小容值的直流阻斷電容。容值的直流阻斷電容。電流電流Ipft流過時(shí)，該電流過時(shí)，該電容被充電，該電壓使初容被充電，該電壓使初級平頂脈沖電壓有所下級平頂脈沖電壓有所下降，如圖降，如圖3.2所示。所示。設(shè)允許的下降量為設(shè)允許的下降量為dV，產(chǎn)生該壓降的等效平頂脈沖電流為式，產(chǎn)生該壓降的等效平頂脈沖電流為式(3.1)中的中的Ipft，而流通該電流的時(shí)間為而流通該電流的時(shí)間為0.8T/2，所

10、需的阻斷電容值可用下式得到，所需的阻斷電容值可用下式得到3.2 3.2 正激變換器正激變換器5.2.4 防止磁通不平衡的阻斷電容的選擇防止磁通不平衡的阻斷電容的選擇例：一個(gè)功率為例：一個(gè)功率為150W的半橋電路，額定直流輸入電壓為的半橋電路，額定直流輸入電壓為320V，頻率為，頻率為100kHz，設(shè)有，設(shè)有15的網(wǎng)壓波動，最小輸入電壓為的網(wǎng)壓波動，最小輸入電壓為272V，則初級電壓應(yīng)，則初級電壓應(yīng)為為272/2 136V。初級平頂脈沖電壓的允許下降量約為初級平頂脈沖電壓的允許下降量約為10，即約為，即約為14V，又已知功率為，又已知功率為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：該電容必須為非極性電容。注意：該電容必須為非極性電容。5.2 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?.2.5 半橋變換器的漏感問題半橋變換器的漏感問題半橋變換器不存在像單端正激和推挽拓?fù)渲械穆└屑夥鍐栴}，因?yàn)殚_關(guān)管半橋變換器不存在像單端正激和推挽拓?fù)渲械穆└屑夥鍐栴}，因?yàn)殚_關(guān)管Q1和和Q2分別并聯(lián)了二極管分別并聯(lián)了二極管D5、D6，將開關(guān)管承受的漏感尖峰電壓鉗位于，將開關(guān)管承受的漏感尖峰電壓鉗位于Vdc。Q1導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流和勵(lì)磁電流流過導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流和勵(lì)磁電流流過Q1、變壓器、變壓器T

12、1的漏感、的漏感、Np的勵(lì)磁電感及按匝比的勵(lì)磁電感及按匝比平方折算到初級的次級負(fù)載等效阻抗，最后流經(jīng)平方折算到初級的次級負(fù)載等效阻抗，最后流經(jīng)Cb到達(dá)到達(dá)C1、C2連接點(diǎn)，連接點(diǎn)，Np同名端電同名端電壓為正。壓為正。Q1關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電感強(qiáng)迫使所有繞組電壓極性反向，關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電感強(qiáng)迫使所有繞組電壓極性反向，Np同名端電壓力圖變同名端電壓力圖變得很負(fù)，使得很負(fù)，使Q1承受遠(yuǎn)大于承受遠(yuǎn)大于Vdc的電壓并使的電壓并使Q2承受反壓，造成兩個(gè)開關(guān)管的損壞。但承受反壓，造成兩個(gè)開關(guān)管的損壞。但由于由于D6的鉗位作用，的鉗位作用，Np的同名端電壓就不會低于負(fù)母線電壓。的同名端電壓就不會低于負(fù)母線電壓。5.2

13、 5.2 半橋變換器拓?fù)浒霕蜃儞Q器拓?fù)?.2.6 半橋變換器與雙端正激變換器的比較半橋變換器與雙端正激變換器的比較兩者承受的關(guān)斷電壓同樣為兩者承受的關(guān)斷電壓同樣為Vdc，廣泛應(yīng)用于電源網(wǎng)壓為，廣泛應(yīng)用于電源網(wǎng)壓為220V的市場。的市場。區(qū)別：區(qū)別：l半橋變換器次級輸出為全波而非雙端正激變換器輸出的半波，因此半橋變換器次級輸出為全波而非雙端正激變換器輸出的半波，因此半橋變換器的方波頻率是正激變換器的兩倍，從而使半橋變換器輸出半橋變換器的方波頻率是正激變換器的兩倍，從而使半橋變換器輸出電感電感L、電容、電容C的數(shù)值小很多。的數(shù)值小很多。l正激變換器次級峰值電壓比半橋變換器高，因?yàn)檎伎毡戎挥邪霕虻恼?/p>

14、激變換器次級峰值電壓比半橋變換器高，因?yàn)檎伎毡戎挥邪霕虻囊话搿０霕蜃儞Q器繞組的成本較低，寄生電容更小。一半。半橋變換器繞組的成本較低，寄生電容更小。5.3 5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)?.3.1 基本工作原理基本工作原理全橋變換器最主要的全橋變換器最主要的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：其初級施加的其初級施加的是幅值為是幅值為Vdc的方波的方波電壓，而非半橋變換電壓，而非半橋變換器的器的Vdc/2，但其開，但其開關(guān)管承受的關(guān)斷電壓關(guān)管承受的關(guān)斷電壓卻與半橋變換器相同，卻與半橋變換器相同，等于最大輸入直流電等于最大輸入直流電壓。壓。5.3 5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)潆娐饭ぷ鬟^程：斜對角的兩個(gè)開關(guān)管

15、（電路工作過程：斜對角的兩個(gè)開關(guān)管（Q2和和Q3或或Q4和和Q1）同時(shí)導(dǎo)通，兩組開關(guān)管交替導(dǎo)通半個(gè)周期，若忽略開關(guān)管的同時(shí)導(dǎo)通，兩組開關(guān)管交替導(dǎo)通半個(gè)周期，若忽略開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，則施加到變壓器初級電壓是幅值為導(dǎo)通壓降，則施加到變壓器初級電壓是幅值為Vdc、寬度為、寬度為ton的交變方波。的交變方波。網(wǎng)壓和負(fù)載變化時(shí)，反饋環(huán)檢測輸出電壓網(wǎng)壓和負(fù)載變化時(shí)，反饋環(huán)檢測輸出電壓Vom的變化并調(diào)節(jié)的變化并調(diào)節(jié)ton，以維持輸出電壓以維持輸出電壓Vom不變。不變。5.3 5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)湓O(shè)每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通壓降為設(shè)每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通壓降為1V，主輸出肖特基整流管的導(dǎo)通壓降為，主輸出肖特基

16、整流管的導(dǎo)通壓降為0.5V,，輔助整流管導(dǎo)通壓降也為輔助整流管導(dǎo)通壓降也為1V，則變換器輸出為，則變換器輸出為5.3 5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)?.3.2 全橋變換器磁設(shè)計(jì)全橋變換器磁設(shè)計(jì)存在問題：存在問題：若垂直橋臂上下兩管同時(shí)導(dǎo)通，則會將電源短路從而損壞開關(guān)管。若垂直橋臂上下兩管同時(shí)導(dǎo)通，則會將電源短路從而損壞開關(guān)管。解決辦法解決辦法：選擇開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間不超過半周期的選擇開關(guān)管的最大導(dǎo)通時(shí)間不超過半周期的80l 磁心尺寸和工作頻率根據(jù)磁心頻率表選擇。磁心尺寸和工作頻率根據(jù)磁心頻率表選擇。l 根據(jù)法拉第定律計(jì)算初級匝數(shù)根據(jù)法拉第定律計(jì)算初級匝數(shù)Np，其中，其中E是初級最低電壓

17、是初級最低電壓E=Vdc-2，dB是所選的是所選的0.8T/2（dt）時(shí)間內(nèi)的磁通變化。頻率低于）時(shí)間內(nèi)的磁通變化。頻率低于50kHz時(shí)，時(shí)，選擇選擇dB=3200G(-1600G1600G)1、最大導(dǎo)通時(shí)間、磁心尺寸和初級繞組匝數(shù)的選擇、最大導(dǎo)通時(shí)間、磁心尺寸和初級繞組匝數(shù)的選擇5.3 5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)?、初級電流、輸出功率和輸入電壓的關(guān)系初級電流、輸出功率和輸入電壓的關(guān)系設(shè)變換器效率為設(shè)變換器效率為80，則輸出功率為，則輸出功率為Po=0.8Pin，輸入電壓為最小值，輸入電壓為最小值Vdc時(shí)，每半個(gè)周期開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為時(shí)，每半個(gè)周期開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為0.8T/2，忽略開關(guān)管的導(dǎo)通，忽略開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，則輸入功率為壓降，則輸入功率為式中式中Ipft為前面定義的初級等效平頂脈沖電流幅值。為前面定義的初級等效平頂脈沖電流幅值。5.3 5.3 全橋變換器拓?fù)淙珮蜃儞Q器拓?fù)?、初級線徑的選擇、初級線徑的選擇占空比為占空比為0.8，電流，電