开关电源设计技巧连载十八：全桥式变压器开关电源 变压器, 开关电源, 连载

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开关电源设计技巧连载十八：全桥式变压器开关电源

1-8-3．全桥式变压器开关电源

全桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源。它同时具有推挽式变压器开关电源电压利用率高，又具有半桥式变压器开关电源耐压高的特点。因此，全桥式变压器开关电源经常用于工作电压高，输出大功率大的场合。

1-8-3-1．全桥式变压器开关电源的工作原理

图1-47是全桥式变压器开关电源工作原理图。图中，K1、K2、K3、K4是4个控制开关，它们被分成两组；K1和K4为一组，K2和K3为另一组。开关电源工作的时候，总是一组接通，另一组关断，两组控制开关轮流交替工作；T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈；Ui为直流输入电压，R为负载电阻；uo为输出电压，io为流过负载的电流。

从图1-47原理图中可以看出，控制开关K1和K4与控制开关K2和K3正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。因此，我们把图1-47的电路称为全桥式开关电源电路。

图1-47中，当控制开关K1和K4接通时候，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，同时，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压Ui成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。

当控制开关控制开关K1和K4由接通转为关断的时候，控制开关K2和K3则由关断转为接通，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端；同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。

全桥式变压器开关电源工作原理与推挽式变压器开关电源以及半桥式变压器开关电源的工作原理是很相似的，因此，分析方法也基本相同。下面我们进一步详细分析全桥式变压器开关电源的工作原理。

当控制开关K1和K4接通时候，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，在变压器初级线圈N1绕组中将有电流经过，通过电磁感应会在变压器的铁心中产生磁场，并产生磁力线；同时，在初级线圈N1绕组的两端要产生自感电动势e1，在次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2；感应电动势e2作用于负载R的两端，从而产生负载电流。

因此，在初、次级电流的共同作用下，在变压器的铁心中会产生一个由流过变压器初、次级线圈电流产生的合成磁场，这个磁场的大小可用磁力线通量（简称磁通量），即磁力线的数目 来表示。

如果用 1来表示变压器初级线圈N1绕组电流产生的磁通量，用 2来表示变压器次级线圈电流产生的磁通量，由于变压器初、次级线圈电流产生的磁场方向总是相反，则在控制开关K1和K4接通期间，由流过变压器初、次级线圈电流在变压器铁心中产生的合成磁场的总磁通量 为：

其中变压器初级线圈电流产生的磁通 1还可以分成两个部分，一部分用来抵消变压器次级线圈电流产生的磁通 2，记为 10，另一部分是由励磁电流产生的磁通，记为Δ 1。显然 10 =－ 2，Δ 1 =  。即：变压器铁心中产生的磁通量 ，只与流过变压器初级线圈中的励磁电流有关，与流过变压器次级线圈中的电流无关；流过变压器次级线圈中的电流产生的磁通，完全被流过变压器初级线圈中的另一部分电流产生的磁通抵消。
根据电磁感应定律可以对变压器初级线圈N1绕组回路列出方程：

上式中，e1为变压器初级线圈产生的电动势， 为电源加于变压器初级线圈N1绕组两端的电压， =  ， 变压器铁心中磁通的变化率。

同样，可以对变压器次级线圈N2绕组回路列出方程：

上式中，（Up）为开关变压器次级线圈N2绕组正激输出电压的幅值，用括弧匡住来表示。由于流过开关变压器初级线圈N1绕组的励磁电流或开关变压器铁心中的磁通是线性变化的，所以我们可认为开关变压器次级线圈N2绕组正激输出电压是一个方波。方波的幅值Up与半波平均值Upa以及有效值Uo三者完全相等。
根据（1-180）式和（1-181）式可以求得：

（1-182）式就是全桥式变压器开关电源正激输出时的电压关系式。上式中，（Up）为开关变压器次级线圈N2绕组正激输出电压的幅值；Ui为开关变压器初级线圈N1绕组的输入电压；n为变压器次、初级线圈的变压比，即：开关变压器次级线圈输出电压与初级线圈输入电压之比，n也可以看成是开关变压器次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比，即：n = N2/N1。

由此可知，在控制开关K1和K4接通期间，全桥式变压器开关变压器次级输出的正激电压幅值只与输入电压和变压器的次/初级变压比有关系。

同理我们也可以求得，当控制开关K2和K3接通时，开关变压器N2线圈绕组输出的正激电压幅值（Up-）为：


上式中的负号表示e2的符号与（1-182）中的符号相反，（Up-）表示与（Up）的极性相反，因为 =－ 。
这里还需指出，（1-182）式和（1-183）式列出的计算结果，并没有考虑控制开关K1和K4或K2和K3关断瞬间，励磁电流存储的能量产生反电动势的影响。当控制开关K1和K4或K2和K3关断瞬间，流过开关变压器初级线圈的励磁电流由最大值突然下降为零，使开关变压器铁心中的磁通量也要跟着产生变化；即：开关变压器的初、次级线圈中都会产生感应电动势，这种感应电动势是励磁电流存储于关变压器铁心中的磁能量产生的；这种感应电动势对于变压器次级线圈电压输出绕组来说，属于反激式输出。即：全桥式变压器开关电源同时存在正、反激电压输出。

反激式电压产生的原因是因为K1和K4或K2和K3接通瞬间变压器初级或次级线圈中的电流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。

实际上，全桥式变压器开关电源的反激式输出电压部分是不能忽略的。全桥式变压器开关变压器次级线圈的输出电压应该同时包括两部分，正激输出电压和反激输出电压。