【導(dǎo)讀】全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵(lì)方式與工作電源的接入方式有點(diǎn)不同，在學(xué)習(xí)了推挽式變壓器開關(guān)電源參數(shù)計(jì)算后我們?cè)賮砜纯慈珮蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源參數(shù)計(jì)算以及全橋式變壓器開關(guān)電源又有什么優(yōu)缺點(diǎn)吧。
1-8-3-3．全橋式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算
全橋式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算主要是針對(duì)如圖1-49 輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上，圖1-49 輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇方法，與圖1-33 輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇方法是基本相同的，因此，這里只列出計(jì)算儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的公式，對(duì)于詳細(xì)分析請(qǐng)參考《1-8-1-3．推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算》章節(jié)的內(nèi)容。
A）全橋式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)算
根據(jù)前面分析，以及由圖1-35 可以看出，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源的兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2 的占空比必須小于0.5，開關(guān)電源電源才能正常工作；當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí)，占空比最好取值為0.25。此分析結(jié)果對(duì)于全橋式開關(guān)電源同樣有效。
當(dāng)兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時(shí)，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感L 以及輸出電壓Uo 的計(jì)算由（1-144）和（1-145）式?jīng)Q定，即：
（1-144）和（1-145）式既是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式（D 為0.25 時(shí)），也是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式（D 為0.25 時(shí)）。式中：Ui 為全橋式變壓器開關(guān)電源輸入電壓，Uo為全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，T 為控制開關(guān)的工作周期，F(xiàn) 為控制開關(guān)的工作頻率，n 為開關(guān)電源次級(jí)線圈N2 繞組與初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)比。
往期閱讀：
專題：陶顯芳老師30年經(jīng)驗(yàn)大分享，開關(guān)電源設(shè)計(jì)那些事兒
http://m.tzzsdz.com/special/181
【連載7】陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
http://m.tzzsdz.com/power-art/80021940
【連載8】全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理
http://m.tzzsdz.com/power-art/80022082
[page]
上面（1-144）和（1-145）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L 的中間值，或平均值，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)。
B）全橋式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算
根據(jù)前面分析，以及由圖1-35 可以看出，當(dāng)兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時(shí)，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電容C 參數(shù)的計(jì)算由（1-149）式?jīng)Q定，即：
（1-149）式中：Io 是流過負(fù)載的電流，T 為控制開關(guān)K1 和K2 的工作周期，ΔUP-P 為輸出電壓的波紋電壓。波紋電壓ΔUP-P 一般都取峰-峰值，所以波紋電壓正好等于電容器充電或放電時(shí)的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc
（1-149）式，雖然是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的公式（D = 0.25時(shí)），但對(duì)于輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算同樣有效。
同理，（1-149）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算全橋式變壓器開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容C 的中間值或平均值，即控制開關(guān)工作于占空比D 為0.25 時(shí)的情況，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)。
1-8-3-4．全橋式開關(guān)變壓器參數(shù)的計(jì)算
全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵(lì)方式與工作電源的接入方式有點(diǎn)不同；因此，用于計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，同樣可以用于全橋式變壓器開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的計(jì)算。
A）全式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算
全橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式開關(guān)電源一樣，也屬于雙激式開關(guān)電源，因此用于全橋式開關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，可從負(fù)的最大值-Bm，變化到正的最大值+Bm，并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。全橋式開關(guān)變壓器的計(jì)算方法與前面推挽式開關(guān)變壓器的計(jì)算方法基本相同，根據(jù)推挽式開關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)計(jì)算公式（1-150）和（1-151）式：
上面（1-150）和（1-151）式，雖然是用來計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的公式，但對(duì)于全橋式變壓器開關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算同樣有效。
（1-150）和（1-151）式中，N1 為變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的最少匝數(shù)，S 為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積（單位：平方厘米），Bm 為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位：高斯）；Ui 為開關(guān)電源的工作電壓，即加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓，單位為伏；τ = Ton，為控制開關(guān)的接通時(shí)間，簡(jiǎn)稱脈沖寬度，或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度（單位：秒）；
[page]
F 為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開關(guān)變壓器工作于正、反激輸出的情況下，其伏秒容量必須相等，因此，可以直接用工作頻率來計(jì)算變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)；F 和τ 取值要預(yù)留20%左右的余量。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的，選用不同單位，指數(shù)的值也不一樣，這里選用CGS 單位制，即：長(zhǎng)度為厘米（cm），磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。
B）交流輸出全橋式開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
全橋式變壓器開關(guān)電源如果用于DC/AC 或AC/AC 逆變電源，即把直流逆變成交流，或把交流整流成直流后再逆變成交流，這種逆變電源一般輸出電壓都不需要調(diào)整，工作效率很高。請(qǐng)參考圖1-47。
用于逆變的全橋式變壓器開關(guān)電源一般輸出電壓uo 都是占空比等于0.5 的方波，由于方波的波形系數(shù)（有效值與半波平均值之比）等于1，因此，方波的有效值Uo 與半波平均值Upa 相等，并且方波的幅值Up 與半波平均值Upa 也相等。所以，只要知道輸出電壓的半波平均值就可以知道有效值，再根據(jù)半波平均值，就可以求得半橋式開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比。
根據(jù)前面分析，全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出的正激電壓來決定。因此，根據(jù)（1-182）、（1-183）式就可以出全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得全橋式逆變開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比：
（1-188）式就是計(jì)算全橋式逆變開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1 為變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)，N2 為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)，Uo 輸出電壓的有效值，或平均值，Ui 為直流輸入電壓，Upa 輸出電壓的半波平均值。
（1-188）式還沒有考慮變壓器的工作效率，當(dāng)把變壓器的工作效率也考慮進(jìn)去時(shí)，最好在（1-188）式的右邊乘以一個(gè)略大于1 的系數(shù)。
C）直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)電源，就是在DC/AC 逆變電源的交流輸出電路后面再接一級(jí)整流濾波電路，請(qǐng)參考1-48。這種直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)電源的兩組控制開關(guān)K1 和K4、K2 和K3 的占空比與DC/AC 逆變電源一樣，一般都是0.5，整流輸出電壓的有效值Uo 與半波平均值Upa 基本相等。因此，直流輸出電壓非調(diào)整式全橋開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比可直接利用（1-188）式來計(jì)算。即：
同樣，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮變壓器的工作效率以及整流二極管的電壓降和4 個(gè)開關(guān)器件接通時(shí)的電壓降。
[page]
D）直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算
直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開關(guān)電源的功能就要求輸出電壓可調(diào)，因此，全橋式變壓器開關(guān)電源的兩組控制開關(guān)K1、K4 和K2、K3 的占空比必須要小于0.5；因?yàn)槿珮蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源正反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓（平均值）的情況下，兩組控制開關(guān)K1、K4 和K2、K3 的占空比相當(dāng)于要小一倍。當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí)，占空比最好取值為0.25。
根據(jù)（1-140）和（1-145）式可求得：
（1-189）（1-190）式就是計(jì)算直流輸出電壓可調(diào)整式全橋開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比公式。式中，N1 為變壓器初級(jí)線圈的最少匝數(shù)，N2 為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)，Uo 為直流輸出電壓，Ui 為開關(guān)電源的工作電壓。
1-8-3-5．全橋式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)
全橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式變壓器開關(guān)電源一樣，由于兩組開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個(gè)開關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，全橋式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動(dòng)系數(shù)Sv 和電流脈動(dòng)系數(shù)Si 都很小，僅需要一個(gè)很小值的儲(chǔ)能濾波電容或儲(chǔ)能濾波電感，就可以得到一個(gè)電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。
[page]
全橋式變壓器開關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)4 個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關(guān)電源對(duì)兩個(gè)開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)椋珮蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源4 個(gè)開關(guān)器件分成兩組，工作時(shí)2 個(gè)開關(guān)器件互相串聯(lián)，關(guān)斷時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓，只有單個(gè)開關(guān)器件所承受電壓的一半。其最高耐壓等于工作電壓與反電動(dòng)勢(shì)之和的一半，這個(gè)結(jié)果正好是推挽式變壓器開關(guān)電源兩個(gè)開關(guān)器件耐壓的一半。
全橋式變壓器開關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場(chǎng)合，在輸入電壓很高的情況下，采用全橋式變壓器開關(guān)電源，其輸出功率要比半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出功率大很多。因此，一般電網(wǎng)電壓為交流220 伏供電的大功率開關(guān)電源大部分都是使用全橋式變壓器開關(guān)電源。而在輸入電壓較低的情況下，推挽式變壓器開關(guān)電源的輸出功率又要比全橋式變壓器開關(guān)電源的輸出功率大很多。
全橋式變壓器開關(guān)電源的電源利用率比推挽式變壓器開關(guān)電源的電源利用率低一些，因?yàn)? 組開關(guān)器件互相串聯(lián)，兩個(gè)開關(guān)器件接通時(shí)總的電壓降要比單個(gè)開關(guān)器件接通時(shí)的電壓降大一倍；但比半橋式變壓器開關(guān)電源的電源利用率高很多。因此，全橋式變壓器開關(guān)電源也可以用于工作電源電壓比較低的場(chǎng)合。
與半橋式開關(guān)電源一樣，全橋式變壓器開關(guān)電源的變壓器初級(jí)線圈只需要一個(gè)繞組，這也是它的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)小功率開關(guān)變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對(duì)于大功率開關(guān)變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椋蠊β书_關(guān)變壓器的線圈需要用多股線來繞。
全橋式變壓器開關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是功率損耗比較較大，因此，全橋式變壓器開關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場(chǎng)合，否則工作效率會(huì)很低。另外，全橋式變壓器開關(guān)電源中的4 個(gè)開關(guān)器件連接沒有公共地，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接比較麻煩。
全橋式開關(guān)電源最大的缺點(diǎn)是，當(dāng)兩組控制開關(guān)K1、K4 和K2、K3 處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候，4 個(gè)開關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)很短時(shí)間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩組控制開關(guān)同時(shí)處于接通狀態(tài)。
這是因?yàn)殚_關(guān)器件在開始導(dǎo)通的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個(gè)過渡的過程；而開關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個(gè)過渡的過程。
當(dāng)兩組開關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過渡過程時(shí)，即兩組開關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于兩組控制開關(guān)同時(shí)接通，它們會(huì)造成對(duì)電源電壓產(chǎn)生短路；此時(shí)，在4 個(gè)控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個(gè)電流并沒有通過變壓器負(fù)載。因此，在4 個(gè)控制開關(guān)K1、K4 和K2、K3 同時(shí)處于過渡過程期間，4 個(gè)開關(guān)器件將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開關(guān)過渡過程產(chǎn)生的損耗，一般在全橋式開關(guān)電源電路中，都有意讓兩組控制開關(guān)的接通和截止時(shí)間錯(cuò)開一小段時(shí)間。
相關(guān)閱讀：
工程師實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)（二）：PSR開關(guān)電源設(shè)計(jì)之EMC設(shè)計(jì)技巧
http://m.tzzsdz.com/emc-art/80022039
PCB布局該這么做！150W LED驅(qū)動(dòng)電源拆解學(xué)習(xí)
http://m.tzzsdz.com/power-art/80021947
由簡(jiǎn)到難，大師教你一步一步設(shè)計(jì)開關(guān)電源
http://m.tzzsdz.com/power-art/80021972
大牛獨(dú)創(chuàng)（五）：反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算
http://m.tzzsdz.com/power-art/80021975
