【开关电源五】电源拓扑之全桥、半桥、推挽

   

目录

1 半桥变换器

1.1 半桥电路工作原理

1.1.1 连续电流模式

1.1.2 断续电流模式

2 全桥变换器

2.1 全桥电路工作原理

3 推挽变换器

3.1 推挽电路工作原理

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        开关电源系列第二篇和第三篇分享了反激和正激两种隔离DCDC拓扑的工作原理，今天再分享另外三款隔离DCDC拓扑：半桥、全桥、推挽。

1 半桥变换器

        半桥变换器变压器原边由两只电容和两只高压晶体管对角线连接组成，两个电容将输入电压一分为二，在双管断开时，减小了原边开关管的电压应力，所以被很多高压开关电源所采用。开关S1和S2交替导通，使变压器原边形成幅值为Ui/2的交流电压，而变压器副边相当于连接了一个buck电路，所以改变开关占空比就可以改变输出电压Uo。基本拓扑如下图所示：

1.1 半桥电路工作原理

1.1.1 连续电流模式

        半桥电路处于连续工作模式时，在一个开关周期内经历四种开关状态，其中状态2和状态4是相同的。如下图所示：

    下图所示为半桥电路连续电流模式波形：

        状态一：t0~t1，S1导通，S2断开，这时电容C1给变压器充能，形成从变压器原边同名端流入的电流，依据楞次定律，变压器副边会产生从同名端流出的电流来阻碍磁通增加，此时上绕组的二极管VD1导通，形成回路：上绕组N2→二极管VD1→电感L→负载R，电感电流线性上升，电感进行充能。而下绕组同名端输出的电流被二极管VD2截止，不能形成回路，相当于在理想情况下，电容C1的能量传递给变压器，变压器再通过磁耦合将能量从原边传递到副边，副边再通过产生的感应电动势将能量传递给电感。

        状态二：t1~t2，S1、S2均断开，此时变压器原边线圈电流为0，而电感L中的电流不能突变，为保持变压器的磁势平衡，变压器下绕组将分担一半电感电流，方向与上绕组电流方向相反，此时二极管VD1、VD2均导通，电感L放能。

        状态三：t2~t3，S1断开，S2导通，这个状态和状态一类似，只是能量传递由C2开始传，副边形成的电流回路为：下绕组N2’→二极管VD2→电感L→负载R，电感电流线性上升，电感进行充能。

        状态四：t3~t4，S1、S2均断开，此状态和状态二相同。

        在通过开关将直流逆变为交流时，应避免开关S1、S2同时导通造成短路，每个开关的导通时间不能超过50%*TS，并要留有余量，如波形图中ton标示所示。

        输入输出关系根据电感的伏秒积平衡可以推出：

        其中：

1.1.2 断续电流模式

        此时电路在一个周期内经历六个状态，如下图所示：

           下图所示为半桥电路断续电流模式波形：

        状态一：t0~t1，与连续电流模式状态一一致。

        状态二：t1~t2，与连续电流模式状态二一致。

        状态三：t2~t3，电感电流保持为0，依靠电容维持输出，和buck电路断续模式一样。

        状态四：t3~t4，与连续电流模式状态三一致。

        状态五：t4~t5，与连续电流模式状态四一致。

        状态六：t5~t6，电感电流保持为0，依靠电容维持输出，和buck电路断续模式一样。

        断续模式输入输出关系和之前分享过的推导过程类似：

        其中：

1. 

2 全桥变换器

        全桥变换器的逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧开关交替导通，将直流电逆变为幅值为Ui的交流电，加在变压器原边上。改变开关的占空比就可以改变输出电压。基本拓扑如下图所示：

2.1 全桥电路工作原理

        这里只描述电流连续模式，断续模式的分析和前面的类似，不再赘述。

        电流连续模式同样有四个状态，如下图所示。

        下图所示为全桥电路连续电流模式波形：

        状态一：t0~t1，S1、S4导通，S2、S3断开，这时电源给变压器充能，形成从变压器原边同名端流入的电流，依据楞次定律，变压器副边会产生从同名端流出的电流来阻碍磁通增加，此时副边的二极管VD1、VD4导通，形成回路：变压器副边→二极管VD1→电感L→负载R→二极管VD4，电感电流线性上升，电感进行充能。

        状态二：t1~t2，S1、S2、S3、S4均断开，此时二极管VD1、VD2、VD3、VD4均导通，每个二极管流过电感电流的一半，电感L放能。

        状态三：t2~t3，S1、S4断开，S2、S3导通，这个状态和状态一类似，副边形成的电流回路为：变压器副边→二极管VD3→电感L→负载R→二极管VD2，电感电流线性上升，电感进行充能。

        状态四：t3~t4，S1、S2、S3、S4均断开，此状态和状态二相同。

        在通过开关将直流逆变为交流时，应避免上下两开关同时导通造成短路，每个开关的导通时间不能超过50%*TS，并要留有余量，如波形图中ton标示所示。

        另外，若S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压Ur中将有直流分量，此直流分量会造成变压器磁饱和，可以在变压器一次侧串联一个电容，隔断直流分量。

        输入输出关系根据电感的伏秒积平衡可以推出：

        其中：

3 推挽变换器

        推挽变换器的开关S1、S2交替导通，将直流电逆变为幅值为Ui的交流电，在绕组N1和N1’两端形成形成相位相反的交流电压。S1和S2在开关断开时承受的瞬态电压峰值均为2Ui。改变开关的占空比就可以改变输出电压。基本拓扑如下图所示：

3.1 推挽电路工作原理

        这里只描述电流连续模式，断续模式的分析和前面的类似，不再赘述。

        电流连续模式同样有四个状态，如下图所示。

                下图所示为推挽电路连续电流模式波形：

        状态一：t0~t1，S1导通，S2断开，副边的二极管VD1导通、VD2截止，形成回路：变压器副边→二极管VD1→电感L→负载R，电感电流线性上升，电感进行充能。

        状态二：t1~t2，S1、S2均断开，此时二极管VD1、VD2均导通，每个二极管流过电感电流的一半，电感L放能。

        状态三：t2~t3，S1断开，S2导通，这个状态和状态一类似，副边形成的电流回路为：变压器副边→二极管VD2→电感L→负载R，电感电流线性上升，电感进行充能。

        状态四：t3~t4，S1、S2均断开，此状态和状态二相同。

        在通过开关将直流逆变为交流时，应避免上下两开关同时导通造成变压器短路，每个开关的导通时间不能超过50%*TS，并要留有余量，如波形图中ton标示所示。

        另外，若S1与S2的导通时间不对称，则交流电压Ur中将有直流分量，此直流分量会造成变压器磁饱和，与全桥电路不同的是，推挽电路无法在变压器一次侧串联电容，只能靠精确控制信号和电路元件参数匹配来避免直流分量的产生。

        输入输出关系根据电感的伏秒积平衡可以推出：

        其中：