開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載43）全橋式變壓器開關(guān)電源

1-8-3．全橋式變壓器開關(guān)電源

全橋式變壓器開關(guān)電源也屬于雙激式變壓器開關(guān)電源。它同時(shí)具有推挽式變壓器開關(guān)電源電壓利用率高，又具有半橋式變壓器開關(guān)電源耐壓高的特點(diǎn)。因此，全橋式變壓器開關(guān)電源經(jīng)常用于工作電壓高，輸出大功率大的場合。

1-8-3-1．全橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理

圖1-47是全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理圖。圖中，K1、K2、K3、K4是4個(gè)控制開關(guān)，它們被分成兩組；K1和K4為一組，K2和K3為另一組。開關(guān)電源工作的時(shí)候，總是一組接通，另一組關(guān)斷，兩組控制開關(guān)輪流交替工作；T為開關(guān)變壓器，N1為變壓器的初級線圈，N2為變壓器的次級線圈；Ui為直流輸入電壓，R為負(fù)載電阻；uo為輸出電壓，io為流過負(fù)載的電流。

從圖1-47原理圖中可以看出，控制開關(guān)K1和K4與控制開關(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關(guān)電源電路。

圖1-47中，當(dāng)控制開關(guān)K1和K4接通時(shí)候，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈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，使開關(guān)電源輸出一個(gè)正半周電壓。

當(dāng)控制開關(guān)控制開關(guān)K1和K4由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，控制開關(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，使開關(guān)電源輸出一個(gè)負(fù)半周電壓。

全橋式變壓器開關(guān)電源工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源以及半橋式變壓器開關(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關(guān)電源的工作原理。

當(dāng)控制開關(guān)K1和K4接通時(shí)候，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，在變壓器初級線圈N1繞組中將有電流經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時(shí)，在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢e1，在次級線圈N2繞組的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e2；感應(yīng)電動(dòng)勢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)由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個(gè)磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數(shù)目Φ 來表示。

如果用Φ1來表示變壓器初級線圈N1繞組電流產(chǎn)生的磁通量，用 Φ2來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān)K1和K4接通期間，由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量Φ 為：

Φ = Φ1－ Φ2 —— K1和K4接通期間 （1-179）

其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通 Φ1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(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ΦΔ 1。顯然 Φ10 =－ Φ2，ΦΔ 1 =Φ 。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通Φ，完全被流過變壓器初級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)定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：

e1 = N1*dΦ/dt =Uab —— K1和K4接通期間 （1-180）

上式中，e1為變壓器初級線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢，Uab為電源加于變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui，變壓器鐵心中磁通的變化率。

同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：

e2 = N2*dΦ/dt =（Up）—— K1和K4接通期間 （1-181）

上式中，（Up）為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組的勵(lì)磁電流或開關(guān)變壓器鐵心中的磁通是線性變化的，所以我們可認(rèn)為開關(guān)變壓器次級線圈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：

（Up）= e2 =ne1 =nUi —— K1和K4接通期間 （1-182）

（1-182）式就是全橋式變壓器開關(guān)電源正激輸出時(shí)的電壓關(guān)系式。上式中，（Up）為開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值；Ui為開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓器次、初級線圈的變壓比，即：開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n = N2/N1。

由此可知，在控制開關(guān)K1和K4接通期間，全橋式變壓器開關(guān)電源變壓器次級輸出的正激電壓幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關(guān)系。

同理我們也可以求得，當(dāng)控制開關(guān)K2和K3接通時(shí)，開關(guān)變壓器N2線圈繞組輸出的正激電壓幅值（Up-）為：

（Up-）= －e2 =－ne1 = －nUi —— K2和K3接通期間 （1-183）

上式中的負(fù)號表示e2的符號與（1-182）中的符號相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反，因?yàn)?Uab=－Uba 。