1-8-3-3.全橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算
全橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算主要是針對(duì)如圖1-49 輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上,圖1-49 輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇方法,與圖1-33 輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇方法是基本相同的,因此,這里只列出計(jì)算儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的公式,對(duì)于詳細(xì)分析請(qǐng)參考《1-8-1-3.推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算》章節(jié)的內(nèi)容。
A)全橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算
根據(jù)前面分析,以及由圖1-35 可以看出,輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比必須小于0.5,開(kāi)關(guān)電源電源才能正常工作;當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí),占空比最好取值為0.25。此分析結(jié)果對(duì)于全橋式開(kāi)關(guān)電源同樣有效。
當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時(shí),輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感L 以及輸出電壓Uo 的計(jì)算由(1-144)和(1-145)式?jīng)Q定,即:
(1-144)和(1-145)式既是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式(D 為0.25 時(shí)),也是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式(D 為0.25 時(shí))。式中:Ui 為全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸入電壓,Uo為全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓,T 為控制開(kāi)關(guān)的工作周期,F(xiàn) 為控制開(kāi)關(guān)的工作頻率,n 為開(kāi)關(guān)電源次級(jí)線圈N2 繞組與初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)比。
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上面(1-144)和(1-145)式的計(jì)算結(jié)果,只給出了計(jì)算輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L 的中間值,或平均值,對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)。
B)全橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算
根據(jù)前面分析,以及由圖1-35 可以看出,當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時(shí),輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電容C 參數(shù)的計(jì)算由(1-149)式?jīng)Q定,即:
(1-149)式中:Io 是流過(guò)負(fù)載的電流,T 為控制開(kāi)關(guān)K1 和K2 的工作周期,ΔUP-P 為輸出電壓的波紋電壓。波紋電壓ΔUP-P 一般都取峰-峰值,所以波紋電壓正好等于電容器充電或放電時(shí)的電壓增量,即:ΔUP-P = 2ΔUc
(1-149)式,雖然是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的公式(D = 0.25時(shí)),但對(duì)于輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算同樣有效。
同理,(1-149)式的計(jì)算結(jié)果,只給出了計(jì)算全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容C 的中間值或平均值,即控制開(kāi)關(guān)工作于占空比D 為0.25 時(shí)的情況,對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)。
1-8-3-4.全橋式開(kāi)關(guān)變壓器參數(shù)的計(jì)算
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理是非常接近的,只是變壓器的激勵(lì)方式與工作電源的接入方式有點(diǎn)不同;因此,用于計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,同樣可以用于全橋式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的計(jì)算。
A)全式開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與推挽式開(kāi)關(guān)電源一樣,也屬于雙激式開(kāi)關(guān)電源,因此用于全橋式開(kāi)關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,可從負(fù)的最大值-Bm,變化到正的最大值+Bm,并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。全橋式開(kāi)關(guān)變壓器的計(jì)算方法與前面推挽式開(kāi)關(guān)變壓器的計(jì)算方法基本相同,根據(jù)推挽式開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)計(jì)算公式(1-150)和(1-151)式:
上面(1-150)和(1-151)式,雖然是用來(lái)計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的公式,但對(duì)于全橋式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算同樣有效。
(1-150)和(1-151)式中,N1 為變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的最少匝數(shù),S 為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積(單位:平方厘米),Bm 為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位:高斯);Ui 為開(kāi)關(guān)電源的工作電壓,即加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓,單位為伏;τ = Ton,為控制開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間,簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖寬度,或電源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度(單位:秒);
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F 為工作頻率,單位為赫芝,一般雙激式開(kāi)關(guān)變壓器工作于正、反激輸出的情況下,其伏秒容量必須相等,因此,可以直接用工作頻率來(lái)計(jì)算變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù);F 和τ 取值要預(yù)留20%左右的余量。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的,選用不同單位,指數(shù)的值也不一樣,這里選用CGS 單位制,即:長(zhǎng)度為厘米(cm),磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯(Gs),磁通單位為麥克斯韋(Mx)。
B)交流輸出全橋式開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源如果用于DC/AC 或AC/AC 逆變電源,即把直流逆變成交流,或把交流整流成直流后再逆變成交流,這種逆變電源一般輸出電壓都不需要調(diào)整,工作效率很高。請(qǐng)參考圖1-47。
用于逆變的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源一般輸出電壓uo 都是占空比等于0.5 的方波,由于方波的波形系數(shù)(有效值與半波平均值之比)等于1,因此,方波的有效值Uo 與半波平均值Upa 相等,并且方波的幅值Up 與半波平均值Upa 也相等。所以,只要知道輸出電壓的半波平均值就可以知道有效值,再根據(jù)半波平均值,就可以求得半橋式開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比。
根據(jù)前面分析,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓uo,主要由開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出的正激電壓來(lái)決定。因此,根據(jù)(1-182)、(1-183)式就可以出全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得全橋式逆變開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比:
(1-188)式就是計(jì)算全橋式逆變開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的公式。式中,N1 為變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù),N2 為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù),Uo 輸出電壓的有效值,或平均值,Ui 為直流輸入電壓,Upa 輸出電壓的半波平均值。
(1-188)式還沒(méi)有考慮變壓器的工作效率,當(dāng)把變壓器的工作效率也考慮進(jìn)去時(shí),最好在(1-188)式的右邊乘以一個(gè)略大于1 的系數(shù)。
C)直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)電源,就是在DC/AC 逆變電源的交流輸出電路后面再接一級(jí)整流濾波電路,請(qǐng)參考1-48。這種直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)電源的兩組控制開(kāi)關(guān)K1 和K4、K2 和K3 的占空比與DC/AC 逆變電源一樣,一般都是0.5,整流輸出電壓的有效值Uo 與半波平均值Upa 基本相等。因此,直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比可直接利用(1-188)式來(lái)計(jì)算。即:
同樣,在低電壓、大電流輸出的情況下,一定要考慮變壓器的工作效率以及整流二極管的電壓降和4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)的電壓降。
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D)直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)電源的功能就要求輸出電壓可調(diào),因此,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的兩組控制開(kāi)關(guān)K1、K4 和K2、K3 的占空比必須要小于0.5;因?yàn)槿珮蚴阶儔浩鏖_(kāi)關(guān)電源正反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出,所以在同樣輸出電壓(平均值)的情況下,兩組控制開(kāi)關(guān)K1、K4 和K2、K3 的占空比相當(dāng)于要小一倍。當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí),占空比最好取值為0.25。
根據(jù)(1-140)和(1-145)式可求得:
(1-189)(1-190)式就是計(jì)算直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比公式。式中,N1 為變壓器初級(jí)線圈的最少匝數(shù),N2 為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù),Uo 為直流輸出電壓,Ui 為開(kāi)關(guān)電源的工作電壓。
1-8-3-5.全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源一樣,由于兩組開(kāi)關(guān)管輪流交替工作,相當(dāng)于兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源同時(shí)輸出功率,其輸出功率約等于單一開(kāi)關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出功率很大,工作效率很高,經(jīng)橋式整流或全波整流后,其輸出電壓的電壓脈動(dòng)系數(shù)Sv 和電流脈動(dòng)系數(shù)Si 都很小,僅需要一個(gè)很小值的儲(chǔ)能濾波電容或儲(chǔ)能濾波電感,就可以得到一個(gè)電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。
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全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是,對(duì)4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)椋珮蚴阶儔浩鏖_(kāi)關(guān)電源4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件分成兩組,工作時(shí)2 個(gè)開(kāi)關(guān)器件互相串聯(lián),關(guān)斷時(shí),每個(gè)開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓,只有單個(gè)開(kāi)關(guān)器件所承受電壓的一半。其最高耐壓等于工作電壓與反電動(dòng)勢(shì)之和的一半,這個(gè)結(jié)果正好是推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件耐壓的一半。
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場(chǎng)合,在輸入電壓很高的情況下,采用全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源,其輸出功率要比半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出功率大很多。因此,一般電網(wǎng)電壓為交流220 伏供電的大功率開(kāi)關(guān)電源大部分都是使用全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源。而在輸入電壓較低的情況下,推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出功率又要比全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出功率大很多。
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的電源利用率比推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的電源利用率低一些,因?yàn)? 組開(kāi)關(guān)器件互相串聯(lián),兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)總的電壓降要比單個(gè)開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)的電壓降大一倍;但比半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的電源利用率高很多。因此,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源也可以用于工作電源電壓比較低的場(chǎng)合。
與半橋式開(kāi)關(guān)電源一樣,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的變壓器初級(jí)線圈只需要一個(gè)繞組,這也是它的優(yōu)點(diǎn),這對(duì)小功率開(kāi)關(guān)變壓器的線圈繞制多少帶來(lái)一些方便。但對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)變壓器的線圈繞制沒(méi)有優(yōu)勢(shì),因?yàn)椋蠊β书_(kāi)關(guān)變壓器的線圈需要用多股線來(lái)繞。
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是功率損耗比較較大,因此,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場(chǎng)合,否則工作效率會(huì)很低。另外,全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件連接沒(méi)有公共地,與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接比較麻煩。
全橋式開(kāi)關(guān)電源最大的缺點(diǎn)是,當(dāng)兩組控制開(kāi)關(guān)K1、K4 和K2、K3 處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候,4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)很短時(shí)間的半導(dǎo)通區(qū)域,即兩組控制開(kāi)關(guān)同時(shí)處于接通狀態(tài)。
這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件在開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)候,相當(dāng)于對(duì)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(gè)過(guò)渡的過(guò)程;而開(kāi)關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候,相當(dāng)于對(duì)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(gè)過(guò)渡的過(guò)程。
當(dāng)兩組開(kāi)關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過(guò)渡過(guò)程時(shí),即兩組開(kāi)關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),相當(dāng)于兩組控制開(kāi)關(guān)同時(shí)接通,它們會(huì)造成對(duì)電源電壓產(chǎn)生短路;此時(shí),在4 個(gè)控制開(kāi)關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流,而這個(gè)電流并沒(méi)有通過(guò)變壓器負(fù)載。因此,在4 個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K4 和K2、K3 同時(shí)處于過(guò)渡過(guò)程期間,4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的損耗,一般在全橋式開(kāi)關(guān)電源電路中,都有意讓兩組控制開(kāi)關(guān)的接通和截止時(shí)間錯(cuò)開(kāi)一小段時(shí)間。
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