第二章高頻開關(guān)電源2.1基本拓?fù)?.2反激式變換器2.3控制電路2.4變壓器及磁性元件設(shè)計2.5MOSFET和IGBT本章小結(jié)2.1.1單端拓?fù)?/p>

單端式開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中僅使用一個開關(guān)管，這種電路的特點是價格低，結(jié)構(gòu)簡單，但輸出功率不高，其電路形式如圖2-1(a)、(b)所示。2.1基本拓?fù)鋱D2－1單端拓?fù)潆娐穲D

1.串聯(lián)式開關(guān)電源（降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）

1）串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理

圖2－2是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單的工作原理圖。圖2－2(a)中，Ui是開關(guān)電源的工作電壓，即直流輸入電壓；S是控制開關(guān)；R是負(fù)載。當(dāng)控制開關(guān)S接通時，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個脈沖寬度為Ton、幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開關(guān)S關(guān)斷時，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個脈沖寬度為Toff、幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關(guān)S不停地“接通”和“關(guān)斷”，在負(fù)載兩端就可以得到一個脈沖調(diào)制的輸出電壓uo。圖2－2(b)是串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形。由圖可看出，輸出電壓uo是一個脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關(guān)S的接通時間Ton，由此可求得串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值為式中，Ton為控制開關(guān)S接通的時間，T為控制開關(guān)S的工作周期。改變控制開關(guān)S的接通時間Ton與關(guān)斷時間Toff的比例，就可以改變輸出電壓uo的平均值Ua。一般稱D為占空比，即（2-1）（2-2）圖2－2串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓的。所以，串聯(lián)式開關(guān)電源屬于降壓型開關(guān)電源。

串聯(lián)式開關(guān)電源也稱為斬波器。由于它工作原理簡單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應(yīng)用很廣。例如，電動摩托車的速度控制器以及燈光亮度控制器等都屬于串聯(lián)式開關(guān)電源的應(yīng)用。如果串聯(lián)式開關(guān)電源只單純用于功率輸出控制，則電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負(fù)載提供功率輸出；但如果用于穩(wěn)壓輸出，則必須要經(jīng)過整流濾波。

串聯(lián)式開關(guān)電源的缺點是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電，對人身不安全。

2）串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路

大多數(shù)開關(guān)電源輸出的都是直流電壓，因此，一般開關(guān)電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖2－3是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖。圖2－3帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖圖2－3在圖2－2所示電路的基礎(chǔ)上增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。其中，L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)S接通（Ton）期間限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上對負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成的磁能進(jìn)行能量存儲，然后在控制開關(guān)S關(guān)斷（Toff）期間把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL并繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)S接通（Ton）期間把流過儲能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲，然后在控制開關(guān)S關(guān)斷（Toff）期間把電荷轉(zhuǎn)化成電流并繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；VD是整流二極管，起續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷（Toff）期間，向儲能濾波電感L釋放能量以及提供電流通路。在控制開關(guān)關(guān)斷（Toff）期間，儲能電感L將產(chǎn)生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負(fù)載R，再經(jīng)過續(xù)流二極管VD的正極，然后從續(xù)流二極管VD的負(fù)極流出，最后回到反電動勢eL的負(fù)極。

圖2－4是控制開關(guān)S的占空比D等于0.5時圖2－3所示電路中幾個關(guān)鍵點的電壓波形。圖2－4(a)為控制開關(guān)S輸出電壓uo的波形；2－4(b)為儲能濾波電容兩端電壓uC的波形。圖2－4輸出電壓波形

2.并聯(lián)式開關(guān)電源（升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）

并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理比較簡單，工作效率很高，因此應(yīng)用很廣泛，特別是在一些小電子產(chǎn)品中，并聯(lián)式開關(guān)電源作為DC/DC升壓電源的應(yīng)用最廣。

1）并聯(lián)式開關(guān)電源的原理

圖2－5是并聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單的工作原理圖。圖2－5(a)中，Ui是開關(guān)電源的工作電壓，L是儲能電感，S是控制開關(guān)，R是負(fù)載。圖2－5(b)中，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，uo是開關(guān)電源的輸出電壓，Up是開關(guān)電源輸出的峰值電壓，Ua是開關(guān)電源輸出的平均電壓。圖2－5并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖當(dāng)控制開關(guān)S接通時，輸入電源Ui開始對儲能電感L加電，流過儲能電感L的電流開始增加，同時電流在儲能電感中也要產(chǎn)生磁場；當(dāng)控制開關(guān)S由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候，儲能電感會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢產(chǎn)生電流的方向與原來電流的方向相同，因此，在負(fù)載上會產(chǎn)生很高的電壓。

在Ton期間，控制開關(guān)S接通，儲能濾波電感L兩端的電壓eL正好與輸入電壓Ui相等，即（S接通期間）(2－3)對式(2－3)進(jìn)行積分，可求得流過儲能電感L的電流為(2－4)式中，iL為流過儲能電感L電流的瞬時值，t為時間變量，i0為流過儲能電感的初始電流，即開關(guān)S接通前瞬間流過儲能電感的電流。一般當(dāng)占空比D小于或等于0.5時，i0=0，由此可以求得流過儲能電感L的最大電流為（S接通期間，D≤0.5）(2－5)式中，Ton為控制開關(guān)S接通的時間。當(dāng)圖2－5(a)中的控制開關(guān)S由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，儲能電感L會把其存儲的能量（磁能）通過反電動勢進(jìn)行釋放，儲能電感L產(chǎn)生的反電動勢為(2－6)（S關(guān)斷瞬間）式中，負(fù)號表示反電動勢eL的極性與式（2－3）中的符號相反，即S接通與關(guān)斷時電感的反電動勢的極性正好相反。對式（2－6）求解得(2－7)（S關(guān)斷瞬間）式中，C為常數(shù)，把初始條件代入式（2－7），很容易求出C。由于控制開關(guān)S由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，流過儲能電感L中的電流iL不能突變，因此，i(Ton)正好等于流過儲能電感L的最大電流iLm，所以式（2－7）可以寫為(2－8)（S關(guān)斷瞬間）圖2－5(a)中，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出為(2－9)當(dāng)t=0時，S關(guān)斷瞬間，輸出有最大值：(2－10)當(dāng)t很大時，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的值將接近輸入電壓Ui，但這種情況一般不會發(fā)生，因為控制開關(guān)S的關(guān)斷時間等不了那么長。由式（2－10）可以看出，當(dāng)并聯(lián)式開關(guān)電源的負(fù)載R很大或開路時，輸出脈沖電壓的幅度將非常高。因此，并聯(lián)式開關(guān)電源經(jīng)常用于高壓脈沖發(fā)生電路。

2）并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路

圖2－6是帶有整流濾波功能的并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖。圖中，Ui是開關(guān)電源的工作電壓，L是儲能電感，eL為電流iL在儲能電感兩端產(chǎn)生的反電動勢，S是控制開關(guān)，R是負(fù)載。

圖2－7是并聯(lián)式開關(guān)電源的控制開關(guān)S工作于占空比為0.5時電路中各點的電壓波形。圖中，uo是控制開關(guān)S兩端的輸出電壓，uC是濾波電容兩端的輸出電壓，Up是開關(guān)電源輸出的峰值電壓，Uo是開關(guān)電源的輸出電壓（平均值），Ua是開關(guān)電源輸出的平均電壓。圖2－6帶有整流濾波功能的并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖圖2－7輸出電壓波形2.1.2推挽拓?fù)?/p>

1.推挽式變換器開關(guān)電源的工作原理

在雙激式變換器開關(guān)電源中，推挽式變換器開關(guān)電源是最常用的開關(guān)電源。由于推挽式變換器開關(guān)電源中的兩個控制開關(guān)S1和S2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且開關(guān)電源在整個工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性也很好。

推挽式變換器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變換器開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于DC/AC逆變器或DC/DC變換器電路中。圖2－8是交流輸出純電阻負(fù)載推挽式變換器開關(guān)電源的簡單原理圖。圖中，S1、S2是兩個控制開關(guān)，它們工作的時候，一個接通，另一個關(guān)斷，兩個開關(guān)輪流接通和關(guān)斷，互相交替工作；T為開關(guān)變壓器；N1、N2為變壓器的初級線圈，N3為變壓器的次級線圈；Ui為直流輸入電壓；R為負(fù)載電阻；uo為輸出電壓；io為流過負(fù)載的電流。

下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析推挽式變換器開關(guān)電源的工作原理。對推挽式變換器開關(guān)電源的分析可分三個時間段來解釋，分別為S1接通、S2接通、S2接通且S1斷開三個時間段。下面對這三個時間段逐一進(jìn)行分析。圖2－8推挽式變換器開關(guān)電源的原理圖

1）S1接通

當(dāng)控制開關(guān)S1接通時，電源電壓Ui通過控制開關(guān)S1被加到變壓器初級線圈N1繞組的兩端，N1上有電流i1流過，同時在N1線圈上產(chǎn)生磁通量Φ1，進(jìn)而產(chǎn)生自感電動勢e1。通過電磁感應(yīng)的作用，在變壓器次級線圈N3繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓e3，并加到負(fù)載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個正半周電壓，在負(fù)載上產(chǎn)生電流i3，產(chǎn)生相反方向的磁通量Φ3。這樣鐵芯中的磁通量Φ由流過變壓器初、次級線圈的電流在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量決定，即Φ=Φ1－Φ3（S1接通期間）(2－11)此時鐵芯中的磁通量Φ由流過變壓器初級線圈的勵磁電流決定，即變壓器鐵芯中產(chǎn)生的磁通量只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通量完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通量抵消。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：(2－12)同樣，可以對變壓器次級線圈N3繞組回路列出方程：(2－13)式中，Up為開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值。根據(jù)式（2－12）和式（2－13）可以求得：（S1接通期間）(2－14)（S1接通期間）(2－15)（S1接通期間）(2－16)式中，Up為開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓的幅值，由于流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組正激輸出電壓是一個方波，方波的幅值Up與有效值Uo兩者完全相等；Ui為開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即N3/N1，簡稱匝比；i10為變壓器初級線圈中的電流初始值；i1為流過N1線圈的電流；Φ1為穿過N1線圈的磁通量。i1和Φ1都隨時間線性變化。

由式（2－14）可知，在控制開關(guān)S1接通期間，推挽式變換器開關(guān)電源變壓器次級正激輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次初級變壓比有關(guān)。

2）S2接通

同理我們也可以求得，當(dāng)控制開關(guān)S2接通時，開關(guān)變壓器N3線圈繞組正激輸出電壓的幅值為（S2接通期間）(2－17)（S2接通期間）(2－18)（S2接通期間）(2－19)式中，負(fù)號表示e3的符號與S1接通時的符號相反；Up-表示與Up的極性相反；i20為變壓器次級線圈中的電流初始值；i2

為流過N2線圈的電流；Φ2為穿過N2線圈的磁通量。i2和Φ2都隨時間線性變化。

當(dāng)控制開關(guān)S1由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，控制開關(guān)S2則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通，此時電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N2繞組的兩端，通過互感在變壓器次級線圈N3繞組的兩端也輸出一個與N2繞組輸入電壓成正比的電壓uo，并加到負(fù)載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個負(fù)半周電壓。

3）S1斷開、S2接通瞬間

在控制開關(guān)S1或S2關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量也會通過變壓器的次級線圈N3繞組產(chǎn)生反電動勢（反激式輸出），即推挽式變換器開關(guān)電源同時存在正、反激輸出電壓。反激輸出電壓產(chǎn)生的原因是S1或S2接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零，即推挽式變換器開關(guān)電源中反激輸出電壓是由變壓器勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生的。因此，可認(rèn)為由于N1線圈的勵磁電流在N3引起的磁通量Φ不能突變，從而引起反電動勢：（S1關(guān)斷瞬間）(2－20)因此，開關(guān)S1斷開、S2接通瞬間，N3上的電壓為（S1斷開、S2接通瞬間）(2－21)根據(jù)式（2－21）可知，控制開關(guān)S1斷開瞬間，輸出電壓為最大值，即(2-22)但在實際應(yīng)用中，并不完全是這樣。因為在控制開關(guān)S1關(guān)斷瞬間，控制開關(guān)S2也會同時接通，此時開關(guān)變壓器初級線圈N2繞組也同時被接入電路中，N2線圈繞組對于開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組來說，也相當(dāng)于一個變壓器次級線圈，它也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向與輸入電壓Ui的方向正好相反，所以，在控制開關(guān)S2接通瞬間，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被N2繞組吸收，并產(chǎn)生感應(yīng)電流對輸入電壓Ui充電（被Ui限幅），次級線圈N3的反激輸出電壓u反也會通過變壓比被Ui限幅，故u反并不會像式（2－22）所表達(dá)的那樣高。因而可得出以下兩點結(jié)論：（1）推挽式變換器開關(guān)電源的輸出電壓uo主要由開關(guān)電源中變壓器次級線圈N3繞組的正激輸出電壓決定。

（2）式（2－22）所表示的結(jié)果可看成開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）的表達(dá)式。

2.推挽式變換器開關(guān)電源的各點電壓、電流波形

圖2－9是圖2－8所示的推挽式變換器開關(guān)電源在負(fù)載為純電阻且兩個控制開關(guān)S1和S2的占空比D均等于0.5時，變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。圖2－9各點電壓、電流波形圖2－9(a)和(b)分別表示控制開關(guān)S1接通時開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓波形和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流波形；圖(c)和(d)分別表示控制開關(guān)S2接通時開關(guān)變壓器初級線圈N2繞組兩端的電壓波形和流過開關(guān)變壓器初級線圈N2繞組兩端的電流波形；圖(e)和(f)分別表示控制開關(guān)S1和S2輪流接通時開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組兩端輸出電壓uo的波形和流過開關(guān)變壓器次級線圈N3繞組兩端的電流波形。

從圖2－9(b)和(d)中可以看出，在控制開關(guān)S1或S2接通瞬間，流過變壓器初級線圈N1繞組或N2繞組的電流其初始值并不等于0，而是產(chǎn)生一個電流突跳，這是因為變壓器次級線圈N3繞組中有電流流過。

3.全波整流輸出推挽式變換器開關(guān)電源

圖2－10是輸出電壓可調(diào)的推挽式變換器開關(guān)電源。圖2－10中，在整流輸出電路后面加接了一個LC儲能濾波電路。在全波整流輸出的LC儲能濾波電路中可以省去一個續(xù)流二極管，因為用于全波整流的兩個二極管可以輪流充當(dāng)續(xù)流二極管的作用。

由于圖2－10中兩個控制開關(guān)占空比D的可調(diào)范圍很?。ㄐ∮?.5），并且在一個周期內(nèi)兩個控制開關(guān)均需要接通和關(guān)斷一次，因此，輸出電壓的可調(diào)范圍相對來說要比單激式開關(guān)電源輸出電壓的可調(diào)范圍小很多；但雙激式開關(guān)電源比單激式開關(guān)電源具有輸出功率大、電壓紋波小、電壓輸出特性好等優(yōu)點。圖2－10全波整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源

4.推挽式變換器的兩種類型

推挽式變換器分電流型、電壓型兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它們的主要區(qū)別是電流型的輸入極需要增加一個大電感L，但不需要輸出濾波電感；電壓型的輸入級沒有大電感，但輸出級必須接濾波電感L。圖2－11各點電壓、電流波形電壓型推挽式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2－12(a)所示，它屬于正激式變換器，兩只三極管V1、V2分別接在帶中心抽頭的一次繞組兩端，它們按照180°的相位差交替地導(dǎo)通。當(dāng)V1導(dǎo)通時，正電壓加在二極管VD1上，使之導(dǎo)通。此時V2關(guān)斷，VD2截止，加在V2漏極上的電壓為2Ui。這就要求開關(guān)管至少能承受2Ui的高壓。舉例說明，220V交流電壓經(jīng)過整流濾波后得到的直流高壓Ui≈+300V，功率開關(guān)管的耐壓值至少應(yīng)為2×300V=600V?？紤]到電網(wǎng)上還存在浪涌電壓，因此實際應(yīng)采用耐壓值為1000V的開關(guān)管，以避免損壞管子。此外，在V1、V2轉(zhuǎn)換時應(yīng)有一個死區(qū)時間，以避免兩只開關(guān)管由于關(guān)斷延遲而同時導(dǎo)通致使高頻變壓器短路，電流迅速增大，進(jìn)而損壞管子。電流型推挽式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2－12(b)所示，在輸入電壓與變壓器之間串聯(lián)一個電感L。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，利用L可降低功率開關(guān)管和整流管導(dǎo)通時的沖擊電流。這種變壓器的不足之處是增加大電感后會降低輸出功率。

5.推挽式變換器的優(yōu)缺點

推挽式開關(guān)電源經(jīng)橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動系數(shù)Sv和電流脈動系數(shù)Si都很小，因此只需要一個很小的儲能濾波電容或儲能濾波電感，就可以得到一個電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。因此，推挽式開關(guān)電源是一個輸出電壓特性非常好的開關(guān)電源。圖2－13所示為全波整流輸出的推挽式變換器開關(guān)電源。圖2－13全波整流輸出的推挽式變換器開關(guān)電源推挽式開關(guān)電源的優(yōu)點可簡單概括為以下5點：

（1）推挽式變換器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變換器開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于低輸入電壓的DC/AC逆變器或DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中。

（2）電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好。

（3）工作效率高。

（4）兩個開關(guān)管器件有公共地，驅(qū)動電路簡單。

（5）S1、S2不會出現(xiàn)半導(dǎo)通區(qū)，產(chǎn)生大電流放電，引起功耗。推挽式開關(guān)電源的主要缺點可簡要概括為以下3點：

（1）開關(guān)管需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作電壓的兩倍，因此，推挽式開關(guān)電源在220V交流供電設(shè)備中很少使用。

（2）輸出電壓的調(diào)整范圍小，并且需要一個儲能濾波電感。

（3）由于變壓器有兩組初級線圈，所以更適合大功率輸出的場合。2.1.3半橋拓?fù)?/p>

半橋式變換器開關(guān)電源也屬于雙激式變換器開關(guān)電源。半橋式變換器是在推挽式變換器的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，它用兩只功率開關(guān)管構(gòu)成半橋，輸入一般為交流電，適用于輸出功率為500～1500W的隔離式變換器。在半橋式變換器開關(guān)電源中，也是兩個控制開關(guān)S1和S2輪流交替工作，開關(guān)電源在整個工作周期都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性也很好。

由于半橋式變換器開關(guān)電源的兩個開關(guān)器件的工作電壓只有輸入電壓的一半，因此，半橋式變換器開關(guān)電源比較適用于工作電壓比較高的場合。

1.半橋式變換器的基本原理

半橋式變壓器的最簡單原理如圖2－14所示。圖中，S1、S2是兩個控制開關(guān)，它們工作的時候，總是一個接通，另一個關(guān)斷，兩個控制開關(guān)輪流交替工作；電容器C1、C2是儲能濾波電容，同時也是電源分壓電容，它們把電源電壓一分為二，由于可以把一個充滿電的電容看成一個電源，因此我們可以把電容器C1、C2看成兩個電源串聯(lián)對變壓器負(fù)載供電；T為開關(guān)變壓器；N1為變壓器的初級線圈；N2為變壓器的次級線圈；Ui為直流輸入電壓；R為負(fù)載電阻；uo為輸出電壓；io為流過負(fù)載的電流。圖2－14半橋式變換器的基本原理圖下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析半橋式變換器開關(guān)電源的工作原理。對半橋式變換器開關(guān)電源的分析可分三個時間段來解釋，分別為S1、S2都斷開，S1接通（S2接通）和S1斷開瞬間三個時間段。下面對這三個時間段進(jìn)行逐一分析。

1）S1、S2都斷開

當(dāng)S1、S2都斷開時，電容器C1、C2首先要被輸入電源Ui充電。兩個充滿電的電容器相當(dāng)于兩個電源串聯(lián)，電源電壓為Ui/2。因為Ton極短，所以可將電容放電近似為Ui/2直流源放電。在任何時刻，當(dāng)一個電容器在放電的時候，另一個電容器就會進(jìn)行充電，兩個電容充、放電的電荷總是相等。

2）S1接通

當(dāng)控制開關(guān)S1接通時，電源C1的電壓(電容器C1兩端的電壓)被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，N1上有電流i1流過，同時在N1線圈上產(chǎn)生磁通量Φ1，進(jìn)而產(chǎn)生自感電動勢e1。通過電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓e2，并加到負(fù)載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個正半周電壓，在負(fù)載上產(chǎn)生電流i2，產(chǎn)生相反方向的磁通量Φ2。這樣鐵芯中的磁通量Φ由流過變壓器初、次級線圈的電流在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量決定，為Φ=Φ1－Φ2（S1接通期間）(2－23)此時鐵芯中的磁通量Φ由流過變壓器初級線圈的勵磁電流決定，即變壓器鐵芯中產(chǎn)生的磁通量只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通完全被流過變壓器初級線圈的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：(2－24)同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程:(2－25)

式中，Up為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值。

根據(jù)式（2－24）和式（2－25）可以求得：(2－26)（S1接通期間）(2－27)(2－28)（S1接通期間）（S1接通期間）式中，Up為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值，由于流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓是一個方波，方波的幅值Up

與有效值U0兩者完全相等；Ui為開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即n=N2/N1；i10為變壓器初級線圈電流初始值；i1為流過N1線圈的電流；Φ1為穿過N1線圈的磁通量。i1和Φ1都隨時間線性變化。由式（2－26）可知，在控制開關(guān)S1接通期間，半橋式變壓器開關(guān)電源中變壓器次級正激輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次初級變壓比有關(guān)。

同理我們也可以求得，當(dāng)控制開關(guān)S2接通時，電容器C2兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端，開關(guān)變壓器N2的線圈繞組輸出的正激電壓幅值為（S2接通期間）式中，負(fù)號表示e2的符號，與式（2－26）中的符號相反；Up-表示與Up的極性相反，因為Uab=－Uba。

3）S1斷開瞬間

式（2－26）和式（2－29）列出的計算結(jié)果并沒有考慮控制開關(guān)S1或S2關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生反電動勢的影響。在控制開關(guān)S1關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量也會通過變壓器的次級線圈N2繞組產(chǎn)生反電動勢（反激電壓），即半橋式變壓器開關(guān)電源同時存在正、反激輸出電壓。反激輸出電壓產(chǎn)生的原因是S1或S2接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零或磁通的初始值不等于零，即半橋式變壓器開關(guān)電源中反激電壓是由變壓器勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生的。因此，可認(rèn)為由于N1線圈的勵磁電流在N2引起的磁通量Φ不能突變，從而引起反電動勢，即（S1斷開、S2接通瞬間）因此，開關(guān)S1斷開、S2接通瞬間，N2上的電壓為(2－32)(2－31)但在實際應(yīng)用中并不完全是這樣的。因為在控制開關(guān)S1關(guān)斷瞬間，控制開關(guān)S2也會同時接通，此時開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組也同時被接入到另一個電路中，在S2剛接通的瞬間，N1繞組產(chǎn)生的反電動勢正好與C2電源電壓的方向相反，因此，在S2接通瞬間，C2電源不是馬上對開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行供電，而是N1繞組產(chǎn)生的反電動勢首先對電容器C2進(jìn)行充電。這相當(dāng)于在控制開關(guān)S2接通瞬間，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C2吸收，待反電動勢的能量基本被吸收完后，電容器C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。

式（2－26）和式（2－29）并沒有完全考慮開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進(jìn)行反充電所產(chǎn)生的影響。當(dāng)開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C2進(jìn)行反充電時，i勵存儲的能量有一部分要被C2吸收，進(jìn)而變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C2存儲的電壓進(jìn)行限幅。因此，變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激輸出電壓u反并不會像式（2－30）所表達(dá)的結(jié)果那么高。因此，反電動勢（反激輸出電壓）的半波平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激輸出電壓的半波平均值，進(jìn)而可得出以下兩點結(jié)論：

（1）半橋變換器開關(guān)電源的輸出電壓uo主要由變壓器次級線圈N2繞組的正激輸出電壓決定。

（2）反激輸出電壓可看成開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）現(xiàn)象。

2.半橋式變換器開關(guān)電源的各點電壓、電流波形

圖2－15是圖2－14所示的半橋式變換器開關(guān)電源在負(fù)載為純電阻且兩個控制開關(guān)S1和S2的占空比D均等于0.5時變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。

圖2－15(a)和(b)分別表示控制開關(guān)S1接通時，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uab的波形，和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流iC1的波形；圖(c)和(d)分別表示控制開關(guān)S2接通時，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓Uba的波形，和流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流iC2的波形；圖(e)和(f)分別表示控制開關(guān)S1和S2輪流接通時，開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形。圖2－15各點電壓、電流波形

1）最大導(dǎo)通時間、磁芯尺寸和初級繞組匝數(shù)的選擇

由圖2－16可見，若S1、S2同時導(dǎo)通，則即使是很短的時間，也會使電源瞬間短路，從而損壞開關(guān)管。為防止此現(xiàn)象發(fā)生，輸入電壓為最小值時，S1或S2的最大導(dǎo)通時間必須限制在半周期的80%以內(nèi)，應(yīng)選擇合適的次級匝數(shù)以使在導(dǎo)通時間不大于0.8T/2的情況下保證輸出電壓滿足要求。此外，可采用鉗位技術(shù)以保證在不正常工作狀態(tài)下導(dǎo)通時間也不超過0.8T/2。圖2－16半橋式變換器磁芯可利用本章2.4節(jié)提供的表格進(jìn)行選擇，這些表格給出了額定工作頻率下的最大輸出功率、飽和磁感應(yīng)強度、磁芯尺寸、磁芯面積及繞線電流密度之間的函數(shù)關(guān)系。

假定最低輸入電壓為Ui/2，最大導(dǎo)通時間為0.8T/2，在已知磁芯種類和磁芯面積的情況下，可以通過以下法拉第定律計算初級繞組匝數(shù)：（2.33）式中，E=有磁芯的電感或變壓器繞組的感應(yīng)電壓（V）；N=繞組匝數(shù)；Ae=磁芯截面面積（cm2）；dB=磁芯磁密變化（高斯）（磁密方向隨繞組電壓極性不同而不同）；dt=磁通變化時間（s）；

2）初級電流、輸出功率、輸入電壓之間的關(guān)系

假設(shè)開關(guān)電源的效率為80%，則有：(2－34)電源輸入電壓最低時，輸入功率等于初級電壓最小值與對應(yīng)的初級平均電流的乘積。如前所述，輸入直流電壓最小時，每半周期導(dǎo)通時間最大值選為0.8T/2。由于每周期有兩個脈寬為0.8T/2的電流脈沖，所以電壓為Ui/2時輸入功率為(2－35)式中：(2－36)

3）初級線徑的選擇

在輸出功率相同的條件下，半橋式變換器的初級線徑要比推挽式變換器的大很多。但由于推挽式變換器有兩個初級且每個初級承受的電壓是半橋式變換器的兩倍，因此兩種拓?fù)涞睦@組尺寸相差不多。

半橋式變換器初級電流的有效值：(2－37)由式（2－36）和式（2－37）可得：(2－38)設(shè)電流密度為500圓密耳每有效值安培，則(2－39)

4）次級繞組匝數(shù)和線徑的選擇

如圖2－16所示，輸出的直流電壓或平均電壓為(2－40)由式（2－40）可以計算出次級繞組匝數(shù)。其中，Ton=0.8T/2。為簡化次級電流有效值的計算，階梯斜坡脈沖將近似等效為平頂脈沖I2，I2幅值為直流輸出電流Io，其占空比為0.4。因此，每個次級繞組的電流有效值為(2－41)

若電流密度為500圓密耳每有效值安培，則次級繞組所需的圓密耳數(shù)為次級線圈所需的圓密耳數(shù)=500×（0.632Io）=316Io

(2－42)

4.半橋式變換器的優(yōu)缺點

半橋式變換器的優(yōu)點可概括為以下3點：

（1）半橋式變換器開關(guān)電源與推挽式變換器開關(guān)電源一樣，兩個開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個開關(guān)電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，半橋式變換器開關(guān)電源的輸出功率很大，工作效率很高。

（2）電流、電壓輸出特性很好。

（3）兩個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變換器開關(guān)電源對兩個開關(guān)器件的耐壓要求低50％，適合輸入電壓較高的場合。一般電網(wǎng)電壓為交流220伏，這類開關(guān)電源大部分采用半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半橋式變換器的主要缺點可簡要概括為以下2點：

（1）電源利用率低，不適合工作電壓低的場合。

（2）開關(guān)器件沒有公共地，驅(qū)動電路必須與功率開關(guān)管互相隔離，需采用高頻變壓器耦合。2.1.4全橋拓?fù)?/p>

1.全橋式變換器的基本原理

圖2－17是全橋式變換器開關(guān)電源的工作原理圖。圖中，S1、S2、S3、S4是4個控制開關(guān)；T為開關(guān)變壓器；N1為變壓器的初級線圈；N2為變壓器的次級線圈；Ui為直流輸入電壓；R為負(fù)載電阻；uo為輸出電壓；io為流過負(fù)載的電流。從圖2－17中可以看出，控制開關(guān)S1和S4與控制開關(guān)S2和S3正好組成一個電橋的兩臂，變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。因此，我們把圖2－17所示的電路稱為全橋式變換器開關(guān)電源電路。圖2－17全橋式變換器的基本原理圖下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析全橋式變換器開關(guān)電源的工作原理。對全橋式變換器開關(guān)電源的分析可分為三個步驟：對四個開關(guān)分組，S1、S4接通，S1、S4斷開。下面對這三個步驟段進(jìn)行逐一分析。

1）對四個開關(guān)分組

圖2－17中，S1、S2、S3、S4是4個控制開關(guān)，它們被分成兩組：S1和S4為一組，S2和S3為另一組。開關(guān)電源工作的時候，總是一組接通，另一組關(guān)斷，兩組控制開關(guān)輪流交替工作。

2）S1、S4接通

控制開關(guān)S1、S4接通時，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，Uab=Ui，初級線圈N1上有電流i1流過，同時在N1線圈上產(chǎn)生磁通量Φ1，進(jìn)而產(chǎn)生自感電動勢e1。通過電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓e2，并加到負(fù)載R的兩端，使開關(guān)電源輸出一個正半周電壓，在負(fù)載上產(chǎn)生電流i2，產(chǎn)生相反方向的磁通量Φ2。這樣鐵芯中的磁通量Φ由流過變壓器初、次級線圈的電流在變壓器鐵芯中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量決定。可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：(2－43)同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：（2-44）式中，Up為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值。根據(jù)式（2－43）和式（2－44）可以求得：（S1，S4接通期間）（S1，S4接通期間）（2-45）（2-46）（S1，S4接通期間）式中，Up為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值，由于流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓是一個方波，方波的幅值Up與輸出值uo兩者完全相等；Ui為開關(guān)電源中變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即n=N2/N1；i10為變壓器初級線圈中的電流初始值；i1為流過N1線圈的電流；Φ1為穿過N1線圈的磁通量。i1和Φ1都隨時間線性變化。（2-47）由式（2－45）可知，在控制開關(guān)S1接通期間，半橋式變換器開關(guān)電源變壓器次級正激輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次初級變壓比有關(guān)。

同理我們也可以求得，當(dāng)控制開關(guān)S2和S3接通時，電源電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端，Uba=Ui，開關(guān)變壓器N2線圈繞組輸出的正激輸出電壓幅值為（S2，S3接通期間）(2－48)式中，負(fù)號表示e2的符號與式（2－45）中的符號相反，Up-表示與Up的極性相反，因為Uab=－Uba。

3）S1、S4斷開瞬間

式（2－45）和式（2－48）列出的計算結(jié)果并沒有考慮控制開關(guān)S1、S4或S2、S3關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生反電動勢的影響。在控制開關(guān)S1、S4關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量也會通過變壓器的次級線圈N2繞組產(chǎn)生反電動勢（反激式輸出），即全橋式變壓器開關(guān)電源同時存在正、反激輸出電壓。反激輸出電壓產(chǎn)生的原因是S2、S3接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零或磁通的初始值不等于零，即全橋式變壓器開關(guān)電源中反激輸出電壓是由變壓器勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生的。因此，可認(rèn)為由于N1線圈的勵磁電流在N2引起的磁通量不能突變，從而引起反電動勢，也可認(rèn)為i勵存儲的能量會使次級線圈N2的電流產(chǎn)生突變。反電動勢由下式計算得到(2－49)（S1關(guān)斷瞬間）(2－50)因此，開關(guān)S1斷開、S2接通瞬間，N2上的電壓為（S1斷開、S2接通瞬間）(2－51)

根據(jù)式（2－51）可知，控制開關(guān)S1斷開瞬間，輸出電壓為最大值：但在實際應(yīng)用中并不完全是這樣的。因為在控制開關(guān)S1和S4關(guān)斷瞬間，控制開關(guān)S2、S3也會同時接通，此時開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組也同時被接入到另一個電路中，即原來電源Ui是通過S1和S4把電壓加到開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組a、b的兩端對開關(guān)變壓器進(jìn)行供電的，當(dāng)S2和S3接通后，電源Ui則通過S2和S3把電壓加到開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組b、a的兩端，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢首先要通過S2和S3對電源Ui進(jìn)行供電，然后電源Ui才通過初級線圈N1繞組b、a的兩端對開關(guān)變壓器進(jìn)行供電。這樣就相當(dāng)于電源在開始對變壓器供電的時候，也對反電動勢進(jìn)行限幅，故反激電壓u<<u反。另外，在開關(guān)電源的設(shè)計上，開關(guān)變壓器的伏秒容量取得很大，勵磁電流取得很小，所以反激輸出電壓的平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激輸出電壓的平均值，進(jìn)而可得出以下兩點結(jié)論：

（1）全橋式變換器開關(guān)電源的輸出電壓uo主要由開關(guān)電源變壓器次級線圈N2繞組的正激輸出電壓決定。

（2）反激輸出電壓可看成開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）現(xiàn)象。

2.全波整流輸出

圖2－18是全波整流輸出全橋式變換器開關(guān)電源的工作原理。全波整流輸出全橋式變換器開關(guān)電源的電壓輸出電路中接有儲能濾波電容，儲能濾波電容會對輸入脈動電壓起到平滑的作用，因此，輸出電壓Uo不會出現(xiàn)很高幅度的電壓反沖，其峰值Up基本上就可以認(rèn)為是半波平均值Ua，其值略大于正激輸出電壓nUi，即全波整流輸出全橋式變壓器開關(guān)電源中，整流濾波輸出電壓Uo的值略大于正激輸出電壓nUi，n為變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比。圖2－18全波整流輸出全橋式變換器開關(guān)電源的工作原理圖因此，全橋式變換器開關(guān)電源的輸出電壓uo主要還是由式（2－45）來決定，即全橋式變換器開關(guān)電源的輸出電壓uo（S1、S4接通期間）約等于開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組產(chǎn)生的正激輸出電壓Up或Up-：

uo=Up=nUi

（S1、S4接通期間）（2－53)

或

uo=Up-=－nUi（S2、S3接通期間）(2－54)

式中，uo為全橋式變換器開關(guān)電源的輸出電壓，n為變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，Ui為開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓。圖2－19全波整流輸出電壓圖

3.全橋式變換器的設(shè)計

1）最大導(dǎo)通時間、磁芯尺寸和初級繞組匝數(shù)的選擇

由圖2－17可見，若垂直橋臂上下兩管（S1和S2或S3和S4）同時導(dǎo)通，則即使是很短時間，也會使電源瞬間短路，從而損壞開關(guān)管。為避免這種情況發(fā)生，輸入電壓為最小值時，S1

、S4或S2

、S3的最大導(dǎo)通時間必須限制在半周期的80%以內(nèi)。也就是說，要根據(jù)電壓方程正確選擇匝比N2/N1，以使得在規(guī)定電壓下，變換器仍能輸出所要求的電壓Uo。

磁芯尺寸和工作頻率可根據(jù)磁芯－頻率表選擇。若已選定磁芯，且已知鐵芯面積Ae，則可以通過以下法拉第定律計算初級繞組匝數(shù)：(2－55)式中，E為初級最低電壓（單位為V）；N為繞組匝數(shù)；Ae為磁芯截面面積（單位為cm2）；dB為磁芯磁密變化（單位為高斯，磁密方向隨繞組電壓極性不同而不同）；dt為磁通變化時間（單位為s）。

2）初級電流、輸出功率、輸入電壓之間的關(guān)系

假設(shè)開關(guān)電源的效率為80%，則有（2.56）電源輸入電壓最低時，輸入功率等于初級電壓最小值與對應(yīng)的初級平均電流的乘積。如前所述，輸入直流電壓最小時，每半周期導(dǎo)通時間為0.8T/2。若忽略開關(guān)管的導(dǎo)通壓降，則電壓為Ui時輸入功率為(2－57)

3）初級線徑的選擇

因為占空比為0.8，所以電流I1的有效值為(2－59)由式（2－58）和式（2－59）可得：(2－60)設(shè)電流密度為500圓密耳每有效值安培，則所需的總圓密耳數(shù)為(2－61)

4）次級繞組匝數(shù)和線徑的選擇

如圖2－19所示，輸出為(2－62)由式（2－62）可以計算出次級繞組匝數(shù)。其中，Ton=0.8T/2。為簡化次級電流有效值的計算，階梯斜坡脈沖將近似等效為平頂脈沖I2，I2的幅值為直流輸出電流Io，其占空比為0.4。因此，每個次級繞組的電流有效值為(2－63)

若電流密度為500圓密耳每有效值安培，則次級繞組所需的圓密耳為：次級線圈所需圓密耳=500×（0.632）=316Io(2－64)

4.全橋式變換器的優(yōu)缺點

全橋式變換器的優(yōu)點可概括為以下4點：

（1）全橋式變換器開關(guān)電源與推挽式變換器開關(guān)電源一樣，兩個開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個開關(guān)電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，全橋式變換器開關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高。

（2）電流、電壓輸出特性很好。

（3）兩個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關(guān)電源對兩個開關(guān)器件的耐壓要求降低50％，適合輸入電壓較高的場合，一般電網(wǎng)電壓為交流220伏，這類開關(guān)電源大部分用橋式變換器開關(guān)電源。（4）全橋式變換器開關(guān)電源的電源利用率比推挽式變換器開關(guān)電源的電源利用率低一些，因為兩組開關(guān)器件互相串聯(lián)，所以兩個開關(guān)器件接通時總的電壓降要比單個開關(guān)器件接通時的電壓降大一倍，但比半橋式變換器開關(guān)電源的電源利用率高很多。因此，全橋式變換器開關(guān)電源也可以用于工作電源電壓比較低的場合。

全橋式開關(guān)電源的主要缺點可簡要概括為以下2點：

（1）開關(guān)器件沒有公共地，驅(qū)動電路必須與功率開關(guān)管互相隔離，需采用高頻變壓器耦合。（2）S1、S2出現(xiàn)半導(dǎo)通情況時，會損失功率。當(dāng)兩個控制開關(guān)S1和S2處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時候兩個開關(guān)器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩個控制開關(guān)同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關(guān)器件在開始導(dǎo)通的時候相當(dāng)于對電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個過渡過程，而開關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于對電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個過渡過程。當(dāng)兩個開關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過渡過程，即兩個開關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時，相當(dāng)于兩個控制開關(guān)同時接通，它們會造成對電源電壓短路。此時，在兩個控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負(fù)載。因此，在兩個控制開關(guān)S1和S2同時處于過渡過程期間，兩個開關(guān)器件將會產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開關(guān)的過渡過程產(chǎn)生的損耗，一般在全橋式開關(guān)電源電路中都有意讓兩個控制開關(guān)的接通和截止時間錯開一小段時間。

2.2反激式變換器

2.2.1反激式變換器的基本工作原理

反激式變換器是指當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出。在反激拓?fù)渲?，開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器儲存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供；開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供負(fù)載電流時消耗的能量。下面詳細(xì)討論此類拓?fù)涞墓ぷ髟怼?/p>

圖2－20(a)是反激式變換器的簡單工作原理圖。圖中，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，S是控制開關(guān)，C是儲能濾波電容，R是負(fù)載電阻。圖2－20(b)是反激式變換器的電壓輸出波形。圖2－20反激式變換器的基本工作原理圖下面我們來詳細(xì)分析反激式變換器開關(guān)電源的工作過程（參考圖2－20）。

（1）開關(guān)S接通的Ton期間。輸入電源Ui對變壓器初級線圈N1繞組加電，初級線圈N1繞組有電流i1流過，在N1兩端產(chǎn)生自感電動勢e1的同時，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也同時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但由于整流二極管的作用，沒有產(chǎn)生回路電流，這相當(dāng)于變壓器次級線圈開路，變壓器次級線圈相當(dāng)于一個電感。因此，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流就是變壓器的勵磁電流，變壓器初級線圈N1繞組兩端產(chǎn)生的自感電動勢可表示為（S接通期間）(2－66)式中，e1為變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的自感電動勢，L1是變壓器初級線圈N1繞組的電感，N1為變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)，Φ1為變壓器鐵芯中的磁通，S為變壓器鐵芯導(dǎo)磁面積，Br為剩余磁感應(yīng)強度。注：當(dāng)開關(guān)電源工作于輸出電流臨界連續(xù)狀態(tài)時，i1（0）=0，Φ（0）=S·Br，故在S關(guān)斷瞬間i1（t）和Φ1（t）均達(dá)到最大值。對式（2－65）和式（2－66）分別積分，可求得：（S關(guān)斷瞬間）(2－67)（S關(guān)斷瞬間）(2－68)（2）開關(guān)S斷開的Toff期間。在控制開關(guān)S由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，流過變壓器初級線圈的電流i1突然為0，但變壓器鐵芯中的磁通量Φ不能突變，故會在變壓器初級線圈產(chǎn)生相應(yīng)的反電動勢e1′，在變壓器次級線圈產(chǎn)生相應(yīng)的反電動勢e2和電流i2。變壓器鐵芯中的磁通Φ最終由次級線圈的電流i2決定。變壓器次級線圈的電勢e2和磁通Φ2為（S關(guān)斷期間）（S關(guān)斷期間）（2-71）（2-72）由于反激式變換器次級線圈N2繞組的輸出電壓都經(jīng)過濾波整流電路，而濾波電容和電阻的時間常數(shù)非常大，因此整流濾波輸出電壓Uo基本等于uo的幅值Up，把uo用Uo代換后得：（S關(guān)斷期間）（2-72）（S關(guān)斷期間）（2-71）式中，e2為變壓器次級線圈N2繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，L2是變壓器次級線圈N2繞組的電感，N2為變壓器次級線圈N2繞組的匝數(shù)，Φ2為變壓器鐵芯中的磁通，uo為變壓器次級線圈N2繞組的輸出電壓。對式（2－71）和式（2－72）進(jìn)行積分，即可求得（S關(guān)斷期間）（2-74）（S關(guān)斷期間）（2-73）當(dāng)開關(guān)S將要接通時，實際上，i2(0)正好等于控制開關(guān)剛斷開瞬間流過變壓器初級線圈N1繞組的電流被折算到次級繞組回路的電流，即i2(0)·N2=i1m·N1，而Φ2(0)正好等于控制開關(guān)剛斷開瞬間變壓器鐵芯中的磁通，即Φ2(0)=S·Bm。當(dāng)控制開關(guān)S將要關(guān)斷時，i2和Φ2均達(dá)到最小值，且電路工作于臨界連續(xù)狀態(tài)，即（S關(guān)斷瞬間）（S關(guān)斷瞬間）（2-76）（2-75）由式（2－67）、式（2－75）、式（2－68）、式（2－76）和變壓器次級線圈與初級線圈的電感量之比，就可以求得反激式變換器開關(guān)電源的輸出電壓為（2.77）在開關(guān)關(guān)斷Toff期間，變壓器鐵芯的磁通Φ主要由次級線圈中的電流i2來決定。也就是說，流過次級線圈的電流i2正好替代原來初級線圈勵磁電流i1的作用，使線圈中的磁感應(yīng)強度由最大值Bm返回到剩余磁感應(yīng)強度Br，使N2繞組的電流由最大值逐步變化為0。圖2－21是反激式變換器工作于連續(xù)電流狀態(tài)時整流二極管的輸入電壓uo、負(fù)載電流Io和變壓器鐵芯中的磁通，以及變壓器初、次級電流等的波形。注：電流i1和i2并不相等，為了區(qū)別，i2用虛線表示。圖2－21反激式變換器工作于連續(xù)電流狀態(tài)時各點的圖形反激式變換器在控制開關(guān)接通期間不向負(fù)載提供功率輸出，僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才把存儲能量轉(zhuǎn)化成反電動勢向負(fù)載提供輸出。當(dāng)控制開關(guān)的占空比為0.5時，變壓器次級線圈輸出電壓的平均值Ua約等于電壓最大值Up（用半波平均值Upa代之）的二分之一，而流過負(fù)載的電流Io（平均電流）正好等于流過變壓器次級線圈最大電流的四分之一。反激式變換器的優(yōu)點主要有以下2點：

（1）電路比較簡單，比正激式變換器少用一個大儲能濾波電感以及一個續(xù)流二極管，因此，反激式變換器的體積要比正激式變換器的體積小，且成本也較低。

（2）反激式變換器的輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度相對于正激式變換器來說要高很多。因此，反激式變換器要求調(diào)控占空比的誤差信號幅度比較低，且要求誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也較小。由于具有這些優(yōu)點，目前反激式變換器在家電領(lǐng)域中被廣泛使用。反激式變換器的缺點主要有以下3點：

（1）當(dāng)D=0.5時，電壓脈動系數(shù)Sv=Up/Ua=2，電流脈動系數(shù)Si=Im/Ia=4。反激式變換器開關(guān)電源的電壓脈動系數(shù)與正激式變換器的電壓脈動系數(shù)基本相同，但電流脈動系數(shù)比正激式變換器的電流脈動系數(shù)大兩倍，故反激式變換器的電壓和電流輸出特性要比正激式變換器的差。

（2）由于反激式變換器僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才向負(fù)載提供能量輸出，當(dāng)負(fù)載電流出現(xiàn)變化時，開關(guān)電源不能立刻對輸出電壓或電流產(chǎn)生反應(yīng)，而需要等到下一個工作周期，通過輸出電壓取樣和調(diào)寬控制電路的作用，開關(guān)電源才開始對已經(jīng)過去了的事件進(jìn)行反應(yīng)（即改變占空比），因此，反激式變換器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較差。（3）反激式變換器中變壓器初、次級線圈的漏感都比較大，從而會降低變壓器的工作效率，并且漏感還會產(chǎn)生反電動勢，容易把開關(guān)器件擊穿。

反激式變換器在輸出功率為5～150W的電源中應(yīng)用非常廣泛，其最大優(yōu)點是不需要接輸出濾波電感，這使得其成本降低，體積減小。

這種拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于高電壓、小功率（電壓不大于5000V，功率小于15W）場合。當(dāng)直流輸入電壓較高（不小于160V）、初級電流適當(dāng)時，該拓?fù)湟部梢杂迷谳敵龉β蔬_(dá)到150W的電源中。由于輸出端不可接濾波電感，因此該拓?fù)湓诟邏翰皇呛芨叩膱龊舷潞苡袃?yōu)勢，而前面討論的正激式變換器由于輸出濾波電感必須承受高壓而帶來了許多問題。此外，反激式變換器不需要高壓續(xù)流二極管，這對它在高電壓場合下的應(yīng)用更有利。輸出功率為50～150W且有多組輸出的變換器也常常采用這種拓?fù)洹Ｓ捎诓恍枰敵鲭姼?，因此輸入電壓和?fù)載變化時反激式變換器的各輸出都能很好地跟隨調(diào)整。

只要變壓器匝比取得合適，直流輸入從低至5V到常用的由115V交流整流得到的160V的場合，都可采用反激式拓?fù)?。若選擇合適的匝比，則這種拓?fù)湟部捎糜谟?20V交流整流得到的320V的場合，而不需要采用倍壓整流方案。2.2.2反激式變換器的工作模式

單端反激式DC/DC變換器與單端正激式DC/DC變換器相比較，區(qū)別在于高頻變壓器副邊整流二極管的連接方式不同。單端反激式DC/DC變換器的原理圖如圖2－22所示。從圖2－22中可知，只要將正激式變換器的同名端變化一下，便成了反激式變換器。圖2－22單端反激式DC/DC變壓器的原理圖若按能量轉(zhuǎn)換方式不同，反激式變換器有以下兩種工作模式：

（1）電流不連續(xù)（完全能量轉(zhuǎn)換）模式：在原邊開關(guān)管導(dǎo)通周期內(nèi)，儲存在變壓器副邊的能量在開關(guān)關(guān)斷周期內(nèi)全部傳輸?shù)捷敵龆?，表現(xiàn)為次級電流在下一周期開始前已經(jīng)降為零。

（2）電流連續(xù)(不完全能量轉(zhuǎn)換)模式：儲存在副邊的能量在開關(guān)管關(guān)斷周期結(jié)束時，仍有部分剩余能量保留在開關(guān)管下一個導(dǎo)通周期開始，表現(xiàn)為電流較大，使關(guān)斷電流未降到零，則下一周期開始時初級電流前沿將出現(xiàn)階梯。不連續(xù)模式相對于連續(xù)模式的缺點如下：

（1）在相同關(guān)斷時間下，不連續(xù)模式下次級電流的峰值為連續(xù)模式下次級電流峰值的2~3倍。

（2）不連續(xù)模式下次級電流有效值為連續(xù)模式下的兩倍，故不連續(xù)模式下要求較大的導(dǎo)線尺寸和耐高紋波的輸出濾波電容。

（3）由于不連續(xù)模式下初級電流峰值較高，因此要求使用更大電流且更昂貴的開關(guān)管。不連續(xù)模式相對于連續(xù)模式的優(yōu)點如下：

（1）不連續(xù)模式本身的勵磁電感小而響應(yīng)快，當(dāng)輸出負(fù)載電流和輸入電壓突變時，輸出電壓瞬態(tài)尖峰小。

（2）連續(xù)模式下必須大幅度減小誤差放大器帶寬，以防止電路發(fā)生振蕩，從而使反饋環(huán)穩(wěn)定。

1.不連續(xù)工作模式

1）不連續(xù)工作模式下反激式變換器的基本工作原理

圖2－23所示為工作于不連續(xù)模式下的反激式變換器及其波形圖。圖2－23工作于不連續(xù)模式下的反激式變換器及其波形圖（1）V1導(dǎo)通時，同名端相對異名端為負(fù)，VD反偏，C單獨向負(fù)載供電。C容量的選擇應(yīng)保證提供負(fù)載的同時能滿足輸出電壓紋波和壓降的要求。V1導(dǎo)通期間，初級線圈電流直線上升，斜率di/dt=Ui/L1。在導(dǎo)通結(jié)束之前，i1達(dá)到最大，，此時變壓器存儲的能量為（2.78）（2）V1關(guān)斷時，由于電感電流不能突變，因此變壓器次級電流幅值為（2-79）

V1關(guān)斷時，同名端電壓為正，電流從該端流出并線性下降，斜率di2/dt=Uo/L2。若電流i2在V1再次導(dǎo)通前降為0，則變壓器存儲的能量在V1再次導(dǎo)通前已全部傳送到負(fù)載端，變壓器工作于不連續(xù)模式（斷續(xù)模式）。

2）不連續(xù)工作模式下輸出電壓Uo、輸入電壓Ui和導(dǎo)通時間Ton的關(guān)系

（1）在一個周期T內(nèi)，直流電壓Ui提供的功率為

（2）設(shè)電源的效率為0.8，則(2－80)（2.81）（2.82）

3）不連續(xù)工作模式下反激式變換器的設(shè)計步驟

（1）初次匝數(shù)比N1/N2的確定。設(shè)開關(guān)管V1的耐壓（最大關(guān)斷電壓應(yīng)力）為Umax，若忽略漏感尖峰及V1壓降，則開關(guān)管的最大耐壓為（2-84）則有（2-83）實際中應(yīng)使Umax盡量小，對開關(guān)管的極限值留有30%的裕度。（2）最大導(dǎo)通時間Tonmax的確定。變壓器工作于不連續(xù)模式下，其正負(fù)秒伏容量必須相等，即（2-85）其中，Tr為變壓器復(fù)位時間，也是次級電流降為零所需時間。為保證電路工作于不連續(xù)模式下，必須設(shè)定死區(qū)時間Tdt，即使Ui等于Uimin時，其對應(yīng)的最大導(dǎo)通時間和復(fù)位時間之和不超過整個周期的80%，留有0.2T的裕度。為了防止負(fù)載電流過大或輸入電壓Ui過低，PWM將增加Ton來保持Uo恒定。隨著Ton的增加會占用死區(qū)時間Tdt，使次級電流在V1再次導(dǎo)通前無法歸零，電路進(jìn)入連續(xù)模式。為保證電路工作在斷續(xù)模式下，可確定最大導(dǎo)通時間：(2－86)聯(lián)立式（2－85）和式（2－86）得：(2－87)（3）初級電感L1的計算：(2－88)（4）開關(guān)管的最大應(yīng)力電流的確定：(2－89)（5）初次級線圈直徑的選擇。初級電流為三角波，峰值為i1m，其有效值為(2－90)設(shè)電流密度為500圓密耳每安培，則(2－91)同理，由于次級線圈峰值為(2-92)次級電流也為三角波，故次級線圈圓密耳數(shù)=(2-93)

4）不連續(xù)工作模式下反激式變換器設(shè)計實例

下面按表2－1所示的參數(shù)設(shè)計一個反激式變換器。表2－1不連續(xù)工作模式下反激式變換器設(shè)計數(shù)據(jù)（1）若忽略漏感尖峰并設(shè)整流管和開關(guān)管壓降均為1V，選用額定電壓為200V的開關(guān)管，最大耐壓為120V，留有80V的電壓裕度，則由式（2－83）可得：（2）由式（2－87）可以確定最大導(dǎo)通時間：（3）由式（2－88）可確定初級電感：（4）由式（2－89）可確定最大應(yīng)力電流：(5)由（2.91）式可知初級電流有效值為：

這里選用19號線，其圓密耳數(shù)為1290，與1350非常接近。

又因復(fù)位時間，由式（2.94）可得：

次級線圈圓密耳數(shù)圓密耳，可選用10號線。

2.連續(xù)工作模式

1）連續(xù)工作模式下反激式變換器的工作原理（不連續(xù)向連續(xù)模式的過渡）

圖2－24為反激式變換器不連續(xù)模式向連續(xù)模式的過渡。圖2－24反激式變換器不連續(xù)模式向連續(xù)模式的過渡圖2－24中，從次級電流降為零到下一周期開始之間有死區(qū)（Tdt），則電路工作于不連續(xù)模式。若電流較大使關(guān)斷電流仍降為零，則下一周期開始時，初級電流前沿將出現(xiàn)階梯，這表明電路已工作于連續(xù)模式。若此時誤差放大器帶寬未迅速減少，則電路將發(fā)生振蕩。

反激式變換器有兩種完全不同的工作模式。如圖2－24（a）所示，不連續(xù)模式的初級電流前段沒有階梯。而在關(guān)斷瞬間（見圖2－24（b））次級電流是衰減的三角波，在下一周期開始之前已衰減到零。這表明下個周期開始之前開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存于初級的能量已完全傳送到次級負(fù)載。連續(xù)模式如圖2－24（c）所示。初級電流有前沿階梯且沿斜坡上升。在開關(guān)管關(guān)斷期間（見圖2－24（d）），次級電流為階梯上疊加衰減的三角波。開關(guān)管再次導(dǎo)通時，次級仍然維持有電流值（等于階梯值）。

（1）斷續(xù)模式。圖2－24（a）、（b）的實線表示斷續(xù)模式下的初/次級電流，初級電流是從零開始上升的三角波。開關(guān)導(dǎo)通結(jié)束時，電流上升到i1m，如圖2－24(a)中B點所示。關(guān)斷期間，儲存在初級的電流i1m根據(jù)i2m=i1m（N1/N2）轉(zhuǎn)換到次級，以斜率di2/dt=Uo/L2下降，在I點降為零，離下一個周期開始（F點）有一定死區(qū)時間Tdt。這種情況下，初級線圈存儲的能量全部提供給負(fù)載，其平均值是三角波GHI與其Tr/T乘積的平均值。（2）輸出電流臨界狀態(tài)。輸出功率增大時，必須增大Ton以保持輸出級電流峰值會由B點上升到D點，次級電流i2m=i1m（N1/N2）由H點上升到K點，開始時刻由G點延遲到J點。由于輸出Uo穩(wěn)定，因此下降斜率di2/dt=Uo/L2不變，將減少Tdt，在L點，次級電流剛好在開關(guān)再次導(dǎo)通前降為零，該點就是斷續(xù)模式和連續(xù)模式的臨界點。（3）連續(xù)模式。死區(qū)時間縮短為零后，次級電流的后沿?zé)o法再右移。隨著負(fù)載電流的增加，增加的Ton也同時在減少Toff，則次級電流的前沿將比J點遲而比K點高，在下一導(dǎo)通時間次級線圈仍殘留一定電流，此時初級電流的前沿也會出現(xiàn)小階梯。為提供更大的直流負(fù)載電流，在接下來的周期內(nèi)，關(guān)斷結(jié)束的次級電流及導(dǎo)通開始的初級電流階梯值將增加。若干周期后，關(guān)斷結(jié)束的次級電流及導(dǎo)通前沿階梯值足夠大，當(dāng)其大于負(fù)載所需功率后，反饋環(huán)開始減小Ton使初級電流持續(xù)時間為從M到P點，次級電流持續(xù)時間為從T點到W點，開關(guān)電源進(jìn)入連續(xù)模式。

2）連續(xù)工作模式下輸出電壓Uo、輸入電壓Ui和導(dǎo)通時間Ton的關(guān)系

根據(jù)電磁感應(yīng)定律（變壓器導(dǎo)通磁通變化量與截止磁通變化量相等），得解得(2-95)(2-94)反饋環(huán)在Ui增大時降低Ton，在Ui減小時升高Ton，以保證輸出電壓恒定。

3）連續(xù)工作模式下反激式變換器的設(shè)計步驟

（1）匝數(shù)比N1/N2的確定。設(shè)開關(guān)管V