电源硬件设计----全桥变换器(Full-Bridge Converter)基础

骑猪看日落 2023-09-26 09:46 14阅读 0赞

## 1 全桥变换器(Full-Bridge Converter)拓扑结构 ##

全桥变换器拓扑结构，如图所示：  
![在这里插入图片描述][e02d2df3360947a6a8bc80fe6b74d199.png_pic_center]

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
 *  开关组件 S3
 *  开关组件 S4
 *  变压器 T
 *  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 全桥变换器(Full-Bridge Converter)原理 ##

全桥变换器(Full-Bridge Converter)拓扑结构，如图所示：  
![在这里插入图片描述][25e3f279cc8047aab5a3f46666c42b4f.png_pic_center]

**S1导通S2关断S3关断S4导通时：**

*  电流由输入电压端流经S1、变压器原边线圈与S4形成电流回路，此时变压器原边线圈两端压降为Vi
 *  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/n，使得整流二极管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，此增加电流在电感铁芯内累积磁力线，直到S4关闭为止

![在这里插入图片描述][91f6bdaeba3f40d5b8877550071ce217.png_pic_center]

**S1关断S2关断S3关断S4关断时：**

*  原边线圈两端电压为0，变压器停止传输能量。此时变压器副边线圈1与线圈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，各一半电流流到D1与D2，回到储能电感
 *  电感产生反电势使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内储存在铁芯内的磁力线，通过电感上的感应线圈以电流形式进行释放

![在这里插入图片描述][a1b07ae3e5e845dda7fecbfea9795316.png_pic_center]

**S1关断S2导通S3导通S4关断时：**

*  电流由输入电压端流经S3、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
 *  变压器原边线圈因电流流过产生磁力线，磁力线通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/n，使得整流二极管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，此增加的电流在电感铁芯内累积磁力线，直到S2关闭为止  
    ![在这里插入图片描述][999ed25a9f224a0b9c9c33e79d143ddd.png_pic_center]

**S1关断S2关断S3关断S4关断时：**

*  原边线圈通过S1与S3短路，原边线圈两端电压为0，变压器停止传输能量。此时变压器副边线圈1与线圈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，各一半电流流到D1与D2，回到储能电感
 *  电感产生反电势使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内储存在铁芯内的磁力线，通过电感上的感应线圈以电流形式进行释放

**全桥变换器电压转换公式：**

![在这里插入图片描述][06594300bd38441dbcd507b7aee718bd.png_pic_center]

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：**  
![在这里插入图片描述][4d9de0940beb475b846ded6407762d56.png_pic_center]

**全桥变换器电压转换公式：**

![在这里插入图片描述][eda8957854d2481698b620872a0dd165.png_pic_center]

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：**

![在这里插入图片描述][af4bb3ed35da4989977c8feb490a8119.png_pic_center]  
**全桥变换器电压转换公式：**

![在这里插入图片描述][804c8e212c56489089a2093d8b830d5c.png_pic_center]

D = 占空比(每半周期)  
T = 周期  
n = 变压器匝比

**全桥变换器的占空比：**

全桥变换器在S1和S4导通，S2和S3导通各半周期交替开关，成完整周期。当S1和S4导通的半周期间的占空比，定义为正半周占空比D1。当S2和S3导通的半周期间的占空比，定义为负半周占空比D2。两者分别导通、关断时间相同，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。占空比为D，D定义为T/2内，副边能量传输的占空比。

## 3 全桥变换器(Full-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  
![在这里插入图片描述][804c8e212c56489089a2093d8b830d5c.png_pic_center]

**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？

![在这里插入图片描述][0b7b808e48704a529c6e45d633fb82e9.png_pic_center]

## 4 全桥变换器(Full-Bridge Converter)应用环境 ##

**全桥变换器特点：**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>全桥</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>拓扑形式</td> 
   <td>隔离降压型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>压比(Vo/Vi)</td> 
   <td>D/n(每半周期)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>变压器利用率</td> 
   <td>高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>功率应用范围</td> 
   <td>&gt;500W</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>功率密度</td> 
   <td>高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>开关管</td> 
   <td>四个(原边主动开关)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>成本</td> 
   <td>高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>调制方式</td> 
   <td>脉冲宽度调制(PWM)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>控制芯片</td> 
   <td>UCC28950</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**应用环境：**

*  高功率输出需求
 *  高功率密度产品应用
 *  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**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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