电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础

1 半桥变换器(Half-Bridge Converter)拓扑结构

半桥变换器拓扑结构,如图所示:

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第1张图片

拓扑结构分析:

  • 输入电压 Vi
  • 输出电压 Vo
  • 开关组件 S1
  • 开关组件 S2
  • 变压器 T
  • 分隔电容 C1
  • 分隔电容 C2
  • 原边线圈圈数 Np
  • 副边线圈圈数 Ns1
  • 副边线圈圈数 Ns2
  • 理想整流二极管 D1
  • 理想整流二极管 D2
  • 储能电容 L
  • 滤波电容 C

2 半桥变换器(Half-Bridge Converter)原理

半桥变换器(Half-Bridge Converter)拓扑结构,如图所示:

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第2张图片

S1导通S2关断时:

  • 电流由输入电压端流经S1、变压器原边线圈与C2形成电流回路。此时变压器原边线圈两端压降为Vi-Vi/2=Vi/2
  • 变压器原边线圈因电流流过而产生磁力线,磁力线透过铁芯传到副边线圈1,副边线圈1产生感应电势
  • 副边线圈1两端感应电压Vi/(2*n),使得理想整流二极管D1导通,电流形成回路,通过D1、输出储能电感与输出电容
  • 副边储能电感两端固定压降VL,使得电感线圈上产生电流,此增加的电流于电感铁芯内累积磁力线,直到S1关闭为止

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第3张图片

S1关断S2关断时:

  • 原边线圈因S1关断,原边无电流回路产生,变压器停止传输能量,此时变压器副边线圈1和线圈2,端点电压皆为0
  • 副边电流方向由储能电感到输出电容,经过两线圈共同连接点,各一半电流到D1与D2,回到储能电感
  • 电感产生反电势致使D1与D2同时导通,储能电感在开关关断时续流,电感上压降与输出相同
  • 储存电感将导通时间储存在铁芯内的磁力线,透过电感上的感应线圈以电流形式进行释放

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第4张图片

S1关断S2导通时:

  • 电流由输入电压端流经C1、变压器原边线圈与S2形成电流回路,此时变压器原边线圈两端压降为Vi-Vi/2=Vi/2
  • 变压器原边线圈因电流流过而产生磁力线,其磁力线透过铁芯传到副边线圈2,副边线圈2产生感应电势
  • 副边线圈2两端感应电压Vi/(2*n),使得理想整流二极管D2导通。电流形成回路,通过D2、输出储能电感与输出电容
  • 副边储能电感两端固定压降VL,使得电感线圈上产生电流,该增加的电流在电感铁芯内累积磁力线,直到S2关闭为止

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第5张图片

S1关断S2关断时:

  • 原边线圈因S2关断,原边无电流回路产生,变压器停止传输能量,此时变压器副边线圈1和线圈2,端点电压皆为0
  • 副边电流方向由储能电感到输出电容,经过两线圈共同连接点,各一半电流到D1与D2,回到储能电感
  • 电感产生反电势致使D1与D2同时导通,储能电感在开关关断时续流,电感上压降与输出相同
  • 储存电感将导通时间储存在铁芯内的磁力线,透过电感上的感应线圈以电流形式进行释放

半桥变换器电压转换公式:

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第6张图片

D1 = 占空比(每半周期)
T = 周期
n = 变压器匝比

电压波形如图所示:

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第7张图片
半桥变换器电压转换公式:
电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第8张图片

D2 = 占空比(每半周期)
T = 周期
n = 变压器匝比

电压波形如图所示:
电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第9张图片
半桥变换器电压转换公式:
电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第10张图片
D = 占空比(每半周期)
T = 周期
n = 变压器匝比

半桥变换器的占空比:

半桥变换器在S1和S2各半周期交替开关,成一完整周期,此完整周期在变压器原边线圈两端电压Vp上。S1导通且S2关断时的半周期为正压降;S2导通且S1关断时的半周期为负压降。S1和S2分别导通、关断时间相同,所以副边Vf上呈现半周期重复且导通时间相同、大小相同的电压,定义占空比为D。D定义为T/2内,副边能量传输的占空比。

3 半桥变换器(Half-Bridge Converter)应用举例

已知:输入电压值为 Vi
给定:变压器匝比为 n
调制:占空比为 D(T/2)
得出:输出电压值为 Vo
电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第11张图片

应用举例:

应用于输入电压为100V,隔离输出电压需求为5V,隔离变压器匝比为5。求占空比需控制在多少才能使得输出电压稳定在5V?

电源硬件设计----半桥变换器(Half-Bridge Converter)基础_第12张图片

4 半桥变换器(Half-Bridge Converter)应用环境

半桥变换器特点:

半桥
拓扑形式 隔离降压型
压比(Vo/Vi) D/2n(每半周期)
变压器利用率
功率应用范围 <800W
功率密度 较高
开关管 两个(原边主动开关)
成本
调制方式 脉冲宽度调制(PWM)
控制芯片 UCC28250

应用环境:

  • 中高功率输出需求
  • 较高功率密度产品应用
  • 较高效率要求产品应用

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