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【电源设计】07桥式变换器

文章目录

  • 1.概述
  • 2.桥式拓扑解析
    • 2.1输入整流
    • 2.2半桥变换器拓扑
    • 2.3半桥变换器工作原理
    • 2.4全桥变换器拓扑
    • 2.5全桥变换器工作原理
  • 3.提升桥式拓扑效率
    • 3.1兼顾低开关损耗与高频运行
    • 3.2电压型谐振变换器示意
    • 3.3电流型谐振变换器示意
  • 4.桥式拓扑示例解析

1.概述

电源是什么？

  • 电源是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。
    【电源设计】07桥式变换器_第1张图片
  • 电源的种类繁多，如从电源适配器，到嵌入式系统之中不同电压轨的电源模块等。
  • 电源如果从拓扑结构进行分类，基本的拓扑有三类,分别是降压、升压和升降压。而其余的拓扑结构均由此派生而来。
  • 当今，电源模块的小型化、薄型化的需求越来越执着，同时因电子产品的功能增多而导致电源的输出功率日益增大。

离线式开关电源（AC-DC未使用工频变压器）的应用场景：
【电源设计】07桥式变换器_第2张图片
离线式开关电源的典型拓扑结构：

  • 反激变换器
  • 正激变换器
  • 推挽变换器
  • 桥式变换器

正激、推挽功率比反激大，但最大输入电压只有200V直流，主要应用在110V的美国和日本市场。
中国和欧洲市场多使用桥式变换，交流电是220V。
【电源设计】07桥式变换器_第3张图片

2.桥式拓扑解析

2.1输入整流

【电源设计】07桥式变换器_第4张图片

  • 离线式开关电源是一种不使用工频变压器，直接从市电获取电力的电源，首先通过输入整流桥将交流电转化为高压直流电。

交流220V时，S1保持断开

  • ==>全波整流
  • ==>输出直流电压: Vdc=1.4*220=308V

交流110V时(如美国、日本)，S1保持闭合

  • ==>倍压全波整流
  • ==>输出直流电压:Vdc=21.4110=308V

兼容交流110V及220V电网

  • 通常S1并不是实际的开关，更常见的情形是，一段跳线。在110V AC输入时安装，在220V AC输入时不安装。如果无成本顾虑，S1也可使用自动网压检测和开关电路。

2.2半桥变换器拓扑

【电源设计】07桥式变换器_第5张图片

2.3半桥变换器工作原理

【电源设计】07桥式变换器_第6张图片

  • 小容量隔直电容Cb防止磁偏引起磁饱和
  • 分析时，可忽略Cb
  • 初级线圈Np接在C1与C2的节点
  • C1与C2相等，节点电压为1/2Vdc
  • Q1、Q2交替导通半个周期
  • 任何一个晶体管导通,另一个晶体管承受Vdc的电(~308V)

2.4全桥变换器拓扑

【电源设计】07桥式变换器_第7张图片

2.5全桥变换器工作原理

【电源设计】07桥式变换器_第8张图片

  • 小容量隔直电容Cb防止磁偏引起磁饱和
  • 分析时，可忽略Cb
  • 初级线圈Np接在Q1、Q2与Q3、Q4C节点之诃
  • Q2、Q3与Q4、Q1交替导通半个周期
  • 变压器初级电压为方波，幅度为+/-Vdc而非半桥的+/-Vdc/2。
  • 晶体管关断电压与半桥同，等于Vdc。
  • 在晶体管承受相同峰值电流和电压的条件下，全桥变换器的输出功率相比半桥加倍。
  • 桥式变换器的最大输出功率，由峰值初级电流和晶体管能承受的最大关断电压所限制。

3.提升桥式拓扑效率

3.1兼顾低开关损耗与高频运行

日益增长的需求

  • 高功率密度
  • 薄型功率转换器设计

技术对策

  • 增加开关频率
  • 有效减小无源组件（譬如转换器和滤波器)的尺寸
  • 开关频率增加导致开关损耗增加

开关损耗一直是高频运行的障碍，必须设法突破!

导致开关损耗的机理

  • 开关管在导通与关闭过程中，电压与电流的交叠导致损耗，P=U*l;
  • 开关频率越高意味着开关的次数越多，开关损耗也就越大;

如果在开关管导通或关闭时，电压或电流为零，则开关损耗可为零!

  • 开关在电压或电流同时为零时关断和开通(ZVS,
    zCS)，这样开关损耗才会真正为零。要实现这个目标，必须采用谐振技术;
  • 电感、电容串联或并联可以构成谐振电路，使得在直流电源电路中，电流按照正弦规律变化;
  • 电流或电压按正弦规律变化，必然存在过零点，在过零点时开关器件开通或关断,则产生的开关损耗就可以为零。

3.2电压型谐振变换器示意

【电源设计】07桥式变换器_第9张图片

  • 初级端开管零电压开关(ZVS)
  • 次级整流器零电流开关(ZCS)
  • Cr谐振电容，Lr谐振电感
  • 谐振电感可与变压器集成到单个磁性组件之中
  • cr，Lr，L构成谐振腔
  • Cr还起隔直电容的作用平衡变压器磁通，防止磁芯饱和

3.3电流型谐振变换器示意

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  • 电流型，改善动态响应
  • 开关电流的总电荷（开关电流的积分)与控制电压比较，调节开关频率
  • 电流内环，在一个开关周期内快速实现卓越瞬态响应
  • 电压反馈是对外围的反馈，比较慢。

4.桥式拓扑示例解析

型号:FSFR2100
厂家:Onsemi
特性:

  • 零电压开关(ZVS)半桥转换器√最高开关频率300KHZ
  • 最大限度减少外部组件
  • 保护功能:过压保护(OVP)、过载保护(OLP)、异常过流保护(AOCP)、内部过热关断(TSD)
  • Vin=350~400v，加散热片,Po _max=450W

外形：
【电源设计】07桥式变换器_第11张图片
典型应用电路：
【电源设计】07桥式变换器_第12张图片
内部框图：
【电源设计】07桥式变换器_第13张图片

半波电流检测：
【电源设计】07桥式变换器_第14张图片
半波检测特点

  • 采样半个电流波形
  • 降低采样电阻上的损耗
  • 缺点是开关噪声会比较大

全波电流检测：
【电源设计】07桥式变换器_第15张图片
全波检测特点

  • 开关噪声小
  • 采样电阻损耗大（因此适合电流损耗小的场合）

间接电流检测：
【电源设计】07桥式变换器_第16张图片

大电流时的电流检测

  • 间接测量
  • 避免采样电阻的损耗

资料来源: 桥式变换

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