【導(dǎo)讀】全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源。它同時(shí)具有推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源電壓利用率高，又具有半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源耐壓高的特點(diǎn)。因此，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源經(jīng)常用于工作電壓高，輸出大功率大的場(chǎng)合。本章將介紹全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理，相關(guān)計(jì)算將在下一章進(jìn)行講解。
1-8-3-1．全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理
圖 1-47 是全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理圖。圖中，K1、K2、K3、K4 是4 個(gè)控制開(kāi)關(guān)，它們被分成兩組；K1 和K4 為一組，K2 和K3 為另一組。開(kāi)關(guān)電源工作的時(shí)候，總是一組接通，另一組關(guān)斷，兩組控制開(kāi)關(guān)輪流交替工作；T 為開(kāi)關(guān)變壓器，N1 為變壓器的初級(jí)線圈，N2 為變壓器的次級(jí)線圈；Ui 為直流輸入電壓，R 為負(fù)載電阻；uo 為輸出電壓，io 為流過(guò)負(fù)載的電流。
從圖1-47 原理圖中可以看出，控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 與控制開(kāi)關(guān)K2 和K3 正好組成一個(gè)電橋的兩臂，變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。因此，我們把圖1-47 的電路稱為全橋式開(kāi)關(guān)電源電路。
圖 1-47 中，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 接通時(shí)候，電源電壓Ui 被加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的a、b 兩端，同時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈N2 繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1 繞組輸入電壓Ui 成正比的電壓，并加到負(fù)載R 的兩端，使開(kāi)關(guān)電源輸出一個(gè)正半周電壓。
當(dāng)控制開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，控制開(kāi)關(guān)K2 和K3 則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通，電源電壓Ui 被加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的b、a 兩端；同理，由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級(jí)線圈N2 繞組的兩端也會(huì)輸出一個(gè)與N1 繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負(fù)載R 的兩端，使開(kāi)關(guān)電源輸出一個(gè)負(fù)半周電壓。
全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源以及半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理是很相似的，因此，分析方法也基本相同。下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理。
前七期閱讀：
專題：陶顯芳老師30年經(jīng)驗(yàn)大分享，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)那些事兒
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【連載7】陶顯芳老師談開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
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當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 接通時(shí)候，電源電壓Ui 被加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的a、b 兩端，在變壓器初級(jí)線圈N1 繞組中將有電流經(jīng)過(guò)，通過(guò)電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，并產(chǎn)生磁力線；同時(shí)，在初級(jí)線圈N1 繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)e1，在次級(jí)線圈N2 繞組的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2 作用于負(fù)載R 的兩端，從而產(chǎn)生負(fù)載電流。
因此，在初、次級(jí)電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的大小可用磁力線通量（簡(jiǎn)稱磁通量），即磁力線的數(shù)目φ 來(lái)表示。
如果用φ1 來(lái)表示變壓器初級(jí)線圈N1 繞組電流產(chǎn)生的磁通量，用φ 2 來(lái)表示變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向總是相反，則在控制開(kāi)關(guān)K1 和K4接通期間，由流過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的總磁通量φ 為：
其中變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通φ1 還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來(lái)抵消變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通φ2，記為φ10，另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，記為Δφ1。顯然φ10 =－φ2，Δφ1 = φ。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量φ，只與流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過(guò)變壓器次級(jí)線圈中的電流無(wú)關(guān)；流過(guò)變壓器次級(jí)線圈中的電流產(chǎn)生的磁通，完全被流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組回路列出方程：
上式中，e1 為變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，Uab為電源加于變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab= Ui ，dφ/dt變壓器鐵心中磁通的變化率。
同樣，可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組回路列出方程：
上式中，（Up）為開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來(lái)表示。由于流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的勵(lì)磁電流或開(kāi)關(guān)變壓器鐵心中的磁通是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組正激輸出電壓是一個(gè)方波。方波的幅值Up 與半波平均值Upa以及有效值Uo 三者完全相等。
根據(jù)（1-180）式和（1-181）式可以求得：
（1-182）式就是全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源正激輸出時(shí)的電壓關(guān)系式。上式中，（Up）為開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組正激輸出電壓的幅值；Ui 為開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的輸入電壓；n 為變壓器次、初級(jí)線圈的變壓比，即：開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比，n 也可以看成是開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組與初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)比，即：n = N2/N1。
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由此可知，在控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 接通期間，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)輸出的正激電壓幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級(jí)變壓比有關(guān)系。
同理我們也可以求得，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K2 和K3 接通時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器N2 線圈繞組輸出的正激電壓幅值（Up-）為：
上式中的負(fù)號(hào)表示e2 的符號(hào)與（1-182）中的符號(hào)相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反，因?yàn)閁ab=－Uba。
這里還需指出，（1-182）式和（1-183）式列出的計(jì)算結(jié)果，并沒(méi)有考慮控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 或K2 和K3 關(guān)斷瞬間，勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的影響。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 或K2 和K3關(guān)斷瞬間，流過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流由最大值突然下降為零，使開(kāi)關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也要跟著產(chǎn)生變化；即：開(kāi)關(guān)變壓器的初、次級(jí)線圈中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是勵(lì)磁電流存儲(chǔ)于關(guān)變壓器鐵心中的磁能量產(chǎn)生的；這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)于變壓器次級(jí)線圈電壓輸出繞組來(lái)說(shuō)，屬于反激式輸出。即：全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源同時(shí)存在正、反激電壓輸出。
反激式電壓產(chǎn)生的原因是因?yàn)镵1 和K4 或K2 和K3 接通瞬間變壓器初級(jí)或次級(jí)線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。
實(shí)際上，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的反激式輸出電壓部分是不能忽略的。全橋式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓應(yīng)該同時(shí)包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。
因此，圖1-47 中，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 關(guān)斷，K2 和K3 接通瞬間，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓應(yīng)該等于正激電壓與反激電壓之和。正激電壓的計(jì)算可由（1-182）式和（1-183）式給出，反激電壓的計(jì)算可由（1-67）或（1-68）式給出。關(guān)于純電阻負(fù)載反激式輸出電壓的計(jì)算，請(qǐng)參考前面《1-5-1．單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理》章節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容分析，這里不再贅述。
根據(jù)（1-67）式：
可求得，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓為：
上式中，[uo] 表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出的反激式電壓，[i2] 表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出反激式電壓對(duì)負(fù)載R 產(chǎn)生的電流。
另外根據(jù)（1-183）式求得的結(jié)果，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為：
上面兩式中，[uo] 表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓，（uo）表示開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。
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因此，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓uo 等于正激電壓（uo）與反激電壓[uo]之和，即：
（1-186）式就是全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源在負(fù)載為純電阻時(shí)，輸出電壓uo 的表達(dá)式。由（1-186）式可以看出，當(dāng)t = 0 時(shí)，即：控制開(kāi)關(guān)K1 關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值：
從（1-187）式可以看出，在控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級(jí)線圈回路負(fù)載開(kāi)路，或負(fù)載很輕的時(shí)候，變壓器次級(jí)線圈回路會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì)。
但在實(shí)際應(yīng)用中，并不完全是這樣。因?yàn)?，?dāng)控制開(kāi)關(guān)K1 和K4 關(guān)斷瞬間，控制開(kāi)關(guān)K2 和K3 也會(huì)同時(shí)接通，此時(shí)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組同時(shí)也被接到另一個(gè)電路中，即：原來(lái)電源Ui 是通過(guò)K1 和K4 把電壓加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組a、b 的兩端，對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器進(jìn)行供電；
當(dāng)K2 和K3 接通后，電源Ui 則通過(guò)K2 和K3 把電壓加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組b、a 的兩端，開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)首先要通過(guò)K2 和K3 對(duì)電源Ui 進(jìn)行供電，然后電源Ui 才通過(guò)初級(jí)線圈N1 繞組b、a 的兩端對(duì)關(guān)變壓器進(jìn)行供電。
這樣，就相當(dāng)于通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K2 和K3 與K1 和K4 不停地對(duì)開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組進(jìn)行換相的同時(shí)，電源在開(kāi)始對(duì)變壓器供電的時(shí)候，也對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行限幅。因此，變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出電壓uo 中的反激式輸出電壓 [uo]，并不會(huì)像（1-186）和（1-187）算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。
另外，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與其它雙激式開(kāi)關(guān)電源一樣，在設(shè)計(jì)的時(shí)候一般都把開(kāi)關(guān)變壓器的伏秒容量取得很大，勵(lì)磁電流取得很小，反電動(dòng)勢(shì)（反激輸出電壓）的半波平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激電壓的半波平均值。因此，反電動(dòng)勢(shì)電壓的幅度可能很高，但能量不會(huì)很大，即：反電動(dòng)勢(shì)脈沖的寬度很窄。
所以，（1-186）和（1-187）式所表示的結(jié)果，可看成是全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）的表達(dá)式。
根據(jù)上面分析，在一般情況下，全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓uo，主要還是由（1-181）、（1-182）、（1-183）等式來(lái)決定。即：全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2 繞組輸出的正激電壓來(lái)決定。
在實(shí)際應(yīng)用中，為防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)把開(kāi)關(guān)器件擊穿，降低開(kāi)關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度，一般可在圖1-47 中4 個(gè)控制開(kāi)關(guān)，每個(gè)控制開(kāi)關(guān)的兩端都并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管，請(qǐng)參考圖1-29 和圖1-38 及相關(guān)說(shuō)明。全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源以及半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的交流輸出波形也基本相同，請(qǐng)參考圖1-28 和圖1-37及相關(guān)說(shuō)明。
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1-8-3-2．整流輸出全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源
圖 1-48 是全波整流輸出全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理圖；圖1-49 是輸出電壓可調(diào)的全橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作原理圖。
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