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全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理
——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)

發(fā)布時間:2013-12-28 來源:陶顯芳老師 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】全橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源。它同時具有推挽式變壓器開關(guān)電源電壓利用率高,又具有半橋式變壓器開關(guān)電源耐壓高的特點(diǎn)。因此,全橋式變壓器開關(guān)電源經(jīng)常用于工作電壓高,輸出大功率大的場合。本章將介紹全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理,相關(guān)計(jì)算將在下一章進(jìn)行講解。

1-8-3-1.全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理

圖 1-47 是全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。圖中,K1、K2、K3、K4 是4 個控制開關(guān),它們被分成兩組;K1 和K4 為一組,K2 和K3 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;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。
全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)

從圖1-47 原理圖中可以看出,控制開關(guān)K1 和K4 與控制開關(guān)K2 和K3 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1-47 的電路稱為全橋式開關(guān)電源電路。

圖 1-47 中,當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 接通時候,電源電壓Ui 被加到變壓器初級線圈N1 繞組的a、b 兩端,同時,由于電磁感應(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Ui 成正比的電壓,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。

當(dāng)控制開關(guān)控制開關(guān)K1 和K4 由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候,控制開關(guān)K2 和K3 則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通,電源電壓Ui 被加到變壓器初級線圈N1 繞組的b、a 兩端;同理,由于電磁感應(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,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。

全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理是很相似的,因此,分析方法也基本相同。下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理。

前七期閱讀:
專題:陶顯芳老師30年經(jīng)驗(yàn)大分享,開關(guān)電源設(shè)計(jì)那些事兒
http://forexsooq.com/special/181

【連載7】陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
http://forexsooq.com/power-art/80021940

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當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 接通時候,電源電壓Ui 被加到變壓器初級線圈N1 繞組的a、b 兩端,在變壓器初級線圈N1 繞組中將有電流經(jīng)過,通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場,并產(chǎn)生磁力線;同時,在初級線圈N1 繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢e1,在次級線圈N2 繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2;感應(yīng)電動勢e2 作用于負(fù)載R 的兩端,從而產(chǎn)生負(fù)載電流。

因此,在初、次級電流的共同作用下,在變壓器的鐵心中會產(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場,這個磁場的大小可用磁力線通量(簡稱磁通量),即磁力線的數(shù)目φ 來表示。

如果用φ1 來表示變壓器初級線圈N1 繞組電流產(chǎn)生的磁通量,用φ 2 來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量,由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反,則在控制開關(guān)K1 和K4接通期間,由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量φ 為:
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其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通φ1 還可以分成兩個部分,一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通φ2,記為φ10,另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通,記為Δφ1。顯然φ10 =-φ2,Δφ1 = φ。即:變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量φ,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中的另一部分電流產(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:
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上式中,e1 為變壓器初級線圈產(chǎn)生的電動勢,Uab為電源加于變壓器初級線圈N1 繞組兩端的電壓,Uab= Ui ,dφ/dt變壓器鐵心中磁通的變化率。

同樣,可以對變壓器次級線圈N2 繞組回路列出方程:
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上式中,(Up)為開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組正激輸出電壓的幅值,用括弧匡住來表示。由于流過開關(guān)變壓器初級線圈N1 繞組的勵磁電流或開關(guān)變壓器鐵心中的磁通是線性變化的,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 與半波平均值Upa以及有效值Uo 三者完全相等。

根據(jù)(1-180)式和(1-181)式可以求得:
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(1-182)式就是全橋式變壓器開關(guān)電源正激輸出時的電壓關(guān)系式。上式中,(Up)為開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組正激輸出電壓的幅值;Ui 為開關(guān)變壓器初級線圈N1 繞組的輸入電壓;n 為變壓器次、初級線圈的變壓比,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。
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由此可知,在控制開關(guān)K1 和K4 接通期間,全橋式變壓器開關(guān)變壓器次級輸出的正激電壓幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關(guān)系。

同理我們也可以求得,當(dāng)控制開關(guān)K2 和K3 接通時,開關(guān)變壓器N2 線圈繞組輸出的正激電壓幅值(Up-)為:
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上式中的負(fù)號表示e2 的符號與(1-182)中的符號相反,(Up-)表示與(Up)的極性相反,因?yàn)閁ab=-Uba。

這里還需指出,(1-182)式和(1-183)式列出的計(jì)算結(jié)果,并沒有考慮控制開關(guān)K1 和K4 或K2 和K3 關(guān)斷瞬間,勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生反電動勢的影響。當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 或K2 和K3關(guān)斷瞬間,流過開關(guān)變壓器初級線圈的勵磁電流由最大值突然下降為零,使開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也要跟著產(chǎn)生變化;即:開關(guān)變壓器的初、次級線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,這種感應(yīng)電動勢是勵磁電流存儲于關(guān)變壓器鐵心中的磁能量產(chǎn)生的;這種感應(yīng)電動勢對于變壓器次級線圈電壓輸出繞組來說,屬于反激式輸出。即:全橋式變壓器開關(guān)電源同時存在正、反激電壓輸出。

反激式電壓產(chǎn)生的原因是因?yàn)镵1 和K4 或K2 和K3 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。

實(shí)際上,全橋式變壓器開關(guān)電源的反激式輸出電壓部分是不能忽略的。全橋式變壓器開關(guān)變壓器次級線圈的輸出電壓應(yīng)該同時包括兩部分,正激輸出電壓和反激輸出電壓。

因此,圖1-47 中,當(dāng)控制開關(guān)K1 和K4 關(guān)斷,K2 和K3 接通瞬間,開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓應(yīng)該等于正激電壓與反激電壓之和。正激電壓的計(jì)算可由(1-182)式和(1-183)式給出,反激電壓的計(jì)算可由(1-67)或(1-68)式給出。關(guān)于純電阻負(fù)載反激式輸出電壓的計(jì)算,請參考前面《1-5-1.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》章節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容分析,這里不再贅述。

根據(jù)(1-67)式:
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可求得,開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓為:
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上式中,[uo] 表示開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組輸出的反激式電壓,[i2] 表示開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組輸出反激式電壓對負(fù)載R 產(chǎn)生的電流。

另外根據(jù)(1-183)式求得的結(jié)果,開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為:
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上面兩式中,[uo] 表示開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓,(uo)表示開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。
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因此,開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓uo 等于正激電壓(uo)與反激電壓[uo]之和,即:
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(1-186)式就是全橋式變壓器開關(guān)電源在負(fù)載為純電阻時,輸出電壓uo 的表達(dá)式。由(1-186)式可以看出,當(dāng)t = 0 時,即:控制開關(guān)K1 關(guān)斷瞬間,輸出電壓有最大值:
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從(1-187)式可以看出,在控制開關(guān)K1 和K4 關(guān)斷瞬間,當(dāng)變壓器次級線圈回路負(fù)載開路,或負(fù)載很輕的時候,變壓器次級線圈回路會產(chǎn)生非常高的反電動勢。

但在實(shí)際應(yīng)用中,并不完全是這樣。因?yàn)?,?dāng)控制開關(guān)K1 和K4 關(guān)斷瞬間,控制開關(guān)K2 和K3 也會同時接通,此時開關(guān)變壓器初級線圈N1 繞組同時也被接到另一個電路中,即:原來電源Ui 是通過K1 和K4 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;

當(dāng)K2 和K3 接通后,電源Ui 則通過K2 和K3 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K2 和K3 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 的兩端對關(guān)變壓器進(jìn)行供電。

這樣,就相當(dāng)于通過控制開關(guān)K2 和K3 與K1 和K4 不停地對開關(guān)變壓器初級線圈N1 繞組進(jìn)行換相的同時,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。因此,變壓器次級線圈N2 繞組輸出電壓uo 中的反激式輸出電壓 [uo],并不會像(1-186)和(1-187)算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。

另外,全橋式變壓器開關(guān)電源與其它雙激式開關(guān)電源一樣,在設(shè)計(jì)的時候一般都把開關(guān)變壓器的伏秒容量取得很大,勵磁電流取得很小,反電動勢(反激輸出電壓)的半波平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激電壓的半波平均值。因此,反電動勢電壓的幅度可能很高,但能量不會很大,即:反電動勢脈沖的寬度很窄。

所以,(1-186)和(1-187)式所表示的結(jié)果,可看成是全橋式變壓器開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺(輸出噪音)的表達(dá)式。

根據(jù)上面分析,在一般情況下,全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要還是由(1-181)、(1-182)、(1-183)等式來決定。即:全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo,主要由開關(guān)變壓器次級線圈N2 繞組輸出的正激電壓來決定。

在實(shí)際應(yīng)用中,為防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(guān)器件擊穿,降低開關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和全橋式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度,一般可在圖1-47 中4 個控制開關(guān),每個控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個阻尼二極管,請參考圖1-29 和圖1-38 及相關(guān)說明。全橋式變壓器開關(guān)電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(guān)電源的交流輸出波形也基本相同,請參考圖1-28 和圖1-37及相關(guān)說明。
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1-8-3-2.整流輸出全橋式變壓器開關(guān)電源

圖 1-48 是全波整流輸出全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖;圖1-49 是輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。
全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
 
整流輸出全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理與整流輸出推挽式變壓器開關(guān)電源以及整流輸出半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理是非常接近的,只是變壓器的激勵方式與工作電源的接入方式有點(diǎn)不同。關(guān)于圖1-48 和圖1-49 等開關(guān)電源的詳細(xì)工作原理,以及變壓器、儲能濾波原器件參數(shù)的計(jì)算,請自己參考前面有關(guān)章節(jié)內(nèi)容的分析,這里不再準(zhǔn)備贅述。

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