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：

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：

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

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

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

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：

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：

半桥变换器电压转换公式：

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：

半桥变换器电压转换公式：

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

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？

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	高
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	高
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

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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