全橋變換器原理

　　橋式變換器由四個(gè)功率晶體管組成。相對于半橋而言，功率晶體管及驅動(dòng)裝置個(gè)數要增加1倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場(chǎng)合。

　　線(xiàn)路的優(yōu)點(diǎn)：主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開(kāi)關(guān)在非常安全的情況下運作。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì )超過(guò)電源電壓V_s，四個(gè)能量恢復（再生）二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無(wú)須設置能量恢復繞組，反激能量便得到恢復利用。

　　線(xiàn)路的缺點(diǎn)：需要功率元件較多。在導通的回路上，至少有兩個(gè)管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器1倍。但是在高壓離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源系統中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復（再生）方式，由于有四個(gè)二極管，損耗略有增加。

　　圖１示出一個(gè)DC-DC橋式變換器的主回路。橋對角的兩個(gè)功率晶體管作為一組，每組同時(shí)接通或斷開(kāi)（也可其他方式），兩組開(kāi)關(guān)輪流工作，在一周期中的短時(shí)間內，四個(gè)開(kāi)關(guān)管將均處于斷開(kāi)狀態(tài)。四個(gè)開(kāi)關(guān)導通（或關(guān)斷）占空比值均相等。

圖１　橋式變換器的主電路圖

　　圖１中用到一個(gè)與發(fā)射極電流成比例的基極驅動(dòng)電路，特點(diǎn)是使得基極驅動(dòng)電流總是與集電極電流成比例。這種技術(shù)特別適合大功率的變換器。

　　在穩態(tài)條件下，功率管斷開(kāi)期間，濾波電感L₁上有一確定的電流量，并經(jīng)過(guò)續流二極管D₅、D₆繼續流動(dòng)。二管的電流基本相等，二管電流之和折算到原邊繞組T_1p，就是T_r1、T_r3（或T_r2、T_r4）關(guān)斷前T_1p上流過(guò)的電流值（扣除一小部分的磁化電流）。由于二極管D₅、D₆同時(shí)導通，副邊繞組兩端的電壓為零。典型的集電極電壓波形V_Tr4C、副邊電壓波形V_T1S等如圖２所示。

圖２　橋式變換器原邊、副邊電壓及原邊電流波形{{分頁(yè)}}

　　其工作過(guò)程如下：

　　給T_r1、T_r3觸發(fā)脈沖，這兩個(gè)晶體管都導通，集電極電流流過(guò)原邊繞組T_1p和相應的驅動(dòng)變壓器的原邊繞組T_2A、T_2B。通過(guò)正反饋，這兩個(gè)晶體管的觸發(fā)性能得到改善，使開(kāi)關(guān)快速進(jìn)入飽和導通狀態(tài)。

　　隨著(zhù)T_r1和T_r3的導通，受原邊繞組漏感影響，原邊繞組T_1p上的電流I_p以額定速率逐漸上升，這個(gè)電流由負載電流折算值和一小部分磁化電流所組成。

　　同時(shí)，副邊的整流二極管D₅的電流增加，D₆的電流會(huì )減少。其速率由副邊繞組的漏感和經(jīng)過(guò)D₅和D₆的環(huán)路電感所確定。對于低電壓、大電流的輸出，外環(huán)路電感的影響尤為顯著(zhù)。當副邊電流增加到在T_r1和T_r3導通前折算流過(guò)L₁的電流數值時(shí)，D₆反向偏置。這時(shí)L₁的輸入電壓上升到副邊線(xiàn)圈的電壓值V’_s(=V_T1s)減去D₅的壓降。

　　L₁兩端的電壓為（V’_s-V_o）作為正向。在此期間，L₁電流線(xiàn)性變化。這個(gè)電流折算到原邊，如圖２所示。

　　經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路決定的導通占空比后，基極驅動(dòng)變壓器使基極驅動(dòng)電流為零，使T_r1和T_r3截止。然而，在變壓器原邊磁化電流和安匝數具有保持不變特性，這個(gè)電流會(huì )轉換到副邊。接著(zhù)，由于T_1p極性反向，所有繞組的電壓反向。如果漏感非常小，緩沖電容器C₅、R₅和輸出整流二極管D₅、D₆會(huì )起到鉗位作用。D₅和D₆會(huì )把大部分的反激電勢傳送給輸出，因為原邊二極管D₁到D₄和副邊二極管D₅、D₆的強制鉗位，很多時(shí)候靠這幾個(gè)二極管使開(kāi)關(guān)晶體管兩端的電壓任何時(shí)候都不會(huì )超過(guò)電壓V_s。

　　每個(gè)T_r晶體管旁均并有阻容元件（如R₅、C₅）作為緩沖器。在T_r2瞬間斷開(kāi)時(shí)，緩沖器元件R₅、C₅通過(guò)提供交流通道，減少功率晶體管斷開(kāi)時(shí)的集電極電壓應力。

　　由輸出二極管提供反激續流作用是線(xiàn)路的一個(gè)重要特色。在圖１中，D₅和D₆均導通時(shí)，副邊繞組兩端電壓為零，原邊繞組兩端電壓也為零。因此，在四個(gè)晶體管都關(guān)斷期間鐵心磁感應強度不會(huì )恢復到B_r，而會(huì )保持在磁感應強度峰值+B_opt或-B_opt。因此，當另一對開(kāi)關(guān)管從關(guān)斷轉為導通時(shí)，磁密增加范圍可以是2B_opt。這種情況不會(huì )引起什么問(wèn)題，而且變壓器原邊匝數可以比較少。

　　當負載很小并且小到低于磁化電流時(shí)，副邊二極管的鉗位作用就會(huì )消失。然而沒(méi)什么問(wèn)題，因為在這種情況下，觸發(fā)脈沖非常窄，而磁感應強度增量也很小。

　　啟動(dòng)或當負載很小，占空比很小，脈沖很窄時(shí)，對應的工作磁感應強度B_w很小，如果負載突然增加，激勵使導通占空比最大，滿(mǎn)脈寬工作，即有雙倍磁通效應，如超過(guò)飽和磁感應強度B_s，這種情況與半橋式相似，應采用防止措施。