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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 變壓器

半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

發布日期：2022-10-11 點擊率：2426

【導讀】在前兩節學習了半橋式變壓器開關電源原理之后，接下來將繼續為大家講解半橋式變壓器開關電源參數計算，其中包括半橋式開關電源儲能濾波電感、電容參數的計算與半橋式開關變壓器參數的計算，以及半橋式變壓器開關電源的優缺點分析。想學好開關電源設計的朋友們不要錯過哦！

電子元件技術網已連載七期陶顯芳老師的《開關電源原理與設計》，前六期內容可以點擊電子元件技術網專題頁面進行閱讀。

1-8-2-4半橋式開關電源儲能濾波電感、電容參數的計算

半橋式開關電源儲能濾波電感、電容參數的計算主要是針對如圖1-46 輸出電壓可調的半橋式變壓器開關電源中的儲能濾波電感、電容參數選擇進行計算。實際上，圖1-46 輸出電壓可調的半橋式變壓器開關電源中的儲能濾波電感、電容參數選擇方法，與圖1-33 輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源的儲能濾波電感、電容參數選擇方法是基本相同的，因此，這里只列出計算儲能濾波電感、電容參數的公式，對于詳細分析請參考《1-8-1-3．推挽式變壓器開關電源儲能濾波電感、電容參數的計算》章節的內容。

A）半橋式開關電源儲能濾波電感參數的計算

根據前面分析，以及由圖1-35 可以看出，輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源的兩個控制開關K1、K2 的占空比必須小于0.5，開關電源電源才能正常工作；當要求輸出電壓可調范圍為最大時，占空比最好取值為0.25。此分析結果對于半橋式開關電源同樣有效。

當兩個控制開關K1、K2 的占空比取值均為0.25 時，輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源中的儲能濾波電感L 以及輸出電壓Uo 的計算由（1-144）和（1-145）式決定，即：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

我們這里只需把（1-144）和（1-145）式中加到變壓器初級線圈兩端的電壓Ui 換成Uab，就可以求得輸出電壓可調的半橋式變壓器開關電源中的儲能濾波電感和濾波輸出電壓的表達式，即：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計
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或者

上面（1-170）和（1-171）式或（1-172）和（1-173）式就是計算輸出電壓可調的半橋式變壓器開關電源儲能濾波電感和濾波輸出電壓的表達式（D 為0.25 時）。式中：Uab 為加到變壓器初級線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2，Ui 為半橋式變壓器開關電源輸入電壓，Uo 為半橋式變壓器開關電源的輸出電壓，T 為控制開關的工作周期，F 為控制開關的工作頻率，n 為開關電源次級線圈N2 繞組與初級線圈N1 繞組的匝數比。

上面（1-170）和（1-171）或（1-172）和（1-173）式的計算結果，只給出了計算輸出電壓可調的半橋式變壓器開關電源儲能濾波電感L 的中間值，或平均值，對于極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個大于1 的系數。

B）半橋式開關電源儲能濾波電容參數的計算

根據前面分析，以及由圖1-35 可以看出，當兩個控制開關K1、K2 的占空比取值均為0.25 時，輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源中的儲能濾波電容C 參數的計算由（1-149）式決定，即：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

（1-149）式中：Io 是流過負載的電流，T 為控制開關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的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc 。

（1-149）式，雖然是計算輸出電壓可調的推挽式變壓器開關電源儲能濾波電容的公式（D = 0.25時），但對于輸出電壓可調的半橋式變壓器開關電源中的儲能濾波電容的計算同樣有效。

同理，（1-149）式的計算結果，只給出了計算半橋式變壓器開關電源儲能濾波電容C 的中間值，或平均值，即控制開關工作于占空比D 為0.25 時的情況，對于極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個大于1 的系數。
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1-8-2-5．半橋式開關變壓器參數的計算

半橋式變壓器開關電源的工作原理與推挽式變壓器開關電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵方式與工作電源的接入方式有點不同；因此，用于計算推挽式變壓器開關變壓器初級線圈N1 繞組匝數的數學表達式，只需稍微修改就可以用于半橋式變壓器開關變壓器初級線圈N1 繞組匝數的計算。

A）半橋式開關變壓器初級線圈匝數的計算

半橋式變壓器開關電源與推挽式開關電源一樣，也屬于雙激式開關電源，因此用于半橋式開關電源的變壓器鐵心的磁感應強度B，可從負的最大值-Bm，變化到正的最大值+Bm，并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。半橋式開關變壓器的計算方法與前面推挽式開關變壓器的計算方法基本相同，只是直接加到變壓器初級線圈兩端的電壓僅等于輸入電壓Ui 的二分之一。根據推挽式開關變壓器

初級線圈匝數計算公式（1-150）和（1-151）式：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

設直接加到半橋式開關變壓器初級線圈兩端的電壓為Uab，且Uab =Ui/2，則上面（1-150）和（1-151）式可以改寫為：

上面（1-174）和（1-175）式就是計算半橋式開關變壓器初級線圈N1 繞組匝數的公式。式中，N1 為變壓器初級線圈N1 繞組的最少匝數，S 為變壓器鐵心的導磁面積（單位：平方厘米），Bm 為變壓器鐵心的最大磁感應強度（單位：高斯）；Uab 為加到變壓器初級線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab=Ui/2，Ui 為開關電源的工作電壓，單位為伏；τ = Ton，為控制開關的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關管導通時間的寬度（單位：秒）；F 為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開關變壓器工作于正、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算變壓器初級線圈N1 繞組的匝數；F 和τ 取值要預留20%左右的余量。式中的指數是統一單位用的，選用不同單位，指數的值也不一樣，這里選用CGS 單位制，即：長度為厘米（cm），磁感應強度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。
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B）交流輸出半橋式開關變壓器初、次級線圈匝數比的計算

半橋式變壓器開關電源如果用于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整，因此電路相對比較簡單，工作效率很高。請參考圖1-36、圖1-38、圖1-39。

用于逆變的半橋式變壓器開關電源一般輸出電壓uo 都是占空比等于0.5 的方波，由于方波的波形系數（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，再根據半波平均值，就可以求得半橋式開關變壓器初、次級線圈匝數比。

根據前面分析，半橋式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要由開關變壓器次級線圈輸出的正激電壓來決定。因此，根據（1-158）、（1-159）、（1-161）等式其中一式就可以出半橋式變壓器開關電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得半橋式逆變開關變壓器初、次級線圈匝數比：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

（1-176）式就是計算半橋式逆變開關變壓器初、次級線圈匝數比的公式。式中，N1 為變壓器初級線圈N1 繞組的匝數，N2 為變壓器次級線圈的匝數，Uo 輸出電壓的有效值，Ui 為直流輸入電壓，Upa 輸出電壓的半波平均值。

（1-176）式還沒有考慮變壓器的工作效率，當把變壓器的工作效率也考慮進去時，最好在（1-176）式的右邊乘以一個略大于1 的系數。

C）直流輸出電壓非調整式半橋開關變壓器初、次級線圈匝數比的計算

直流輸出電壓非調整式半橋開關電源，就是在DC/AC 逆變電源的交流輸出電路后面再接一級整流濾波電路。請參考1-43、圖1-44、圖1-45。這種直流輸出電壓非調整式半橋開關電源的控制開關K1、K2 的占空比與DC/AC 逆變電源一樣，一般都是0.5，因此，直流輸出電壓非調整式半橋開關變壓器初、次級線圈匝數比可直接利用（1-176）式來計算。即：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

不過，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮整流二極管的電壓降和變壓器的工作效率。
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D）直流輸出電壓可調整式半橋開關變壓器初、次級線圈匝數比的計算

直流輸出電壓可調整式半橋開關電源的功能就要求輸出電壓可調，因此，半橋式變壓器開關電源的兩個控制開關K1、K2 的占空比必須要小于0.5；因為半橋式變壓器開關電源正、反激兩種狀態都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓（平均值）的情況下，兩個控制開關K1、K2 的占空比相當于要小一倍。當要求輸出電壓可調范圍為最大時，占空比最好取值為0.25。根據（1-140）和（1-145）式，并把輸入電壓Ui 換成Uab 可求得：
半橋式變壓器開關電源參數計算——陶顯芳老師談開關電源原理與設計

（1-177）、（1-178）式，就是計算直流輸出電壓可調整式半橋開關變壓器初、次級線圈匝數比的公式。式中，N1 為變壓器初級線圈N1 繞組的最少匝數，N2 為變壓器次級線圈的匝數，Uo 為直流輸出電壓，Uab 為加到變壓器初級線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2，Ui 為開關電源的工作電壓。

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開關器件接通時的電壓降。

1-8-2-6．半橋式變壓器開關電源的優缺點

半橋式變壓器開關電源與推挽式變壓器開關電源一樣，由于兩個開關管輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關電源輸出功率的兩倍。因此，半橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高，經橋式整流或全波整流后，輸出電壓的電壓脈動系數Sv 和電流脈動系數Si 都很小，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波和電流紋波就可以達到非常小。

半橋式變壓器開關電源最大的優點是，對兩個開關器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關電源對兩個開關器件的耐壓要求可以降低一半。因為，半橋式變壓器開關電源兩個開關器件的工作電壓只有輸入電源Ui 的一半，其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和，大約是電源電壓的兩倍，這個結果正好是推挽式變壓器開關電源兩個開關器件耐壓的一半。因此，半橋式變壓器開關電源主要用于輸入電壓比較高的場合，一般電網電壓為交流220 伏供電的大功率開關電源大部分都是用半橋式變壓器開關電源。
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半橋式開關電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組，這也是它的優點，這對小功率開關變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關變壓器的線圈繞制沒有優勢，因為，大功率開關變壓器的線圈需要用多股線來繞。

半橋式變壓器開關電源的缺點主要是電源利用率比較低，因此，半橋式變壓器開關電源不適宜用于工作電壓較低的場合。另外，半橋式變壓器開關電源中的兩個開關器件連接沒有公共地，與驅動信號連接比較麻煩。

半橋式開關電源最大的缺點是，當兩個控制開關K1 和K2 處于交替轉換工作狀態的時候，兩個開關器件會同時出現一個很短時間的半導通區域，即兩個控制開關同時處于接通狀態。這是因為開關器件在開始導通的時候，相當于對電容充電，它從截止狀態到完全導通狀態需要一個過渡過程；而開關器件從導通狀態轉換到截止狀態的時候，相當于對電容放電，它從導通狀態到完全截止狀態也需要一個過渡過程。

當兩個開關器件分別處于導通和截止過渡過程時，即兩個開關器件都處于半導通狀態時半導通狀態時，相當于兩個控制開關同時接通，它們會造成對電源電壓產生短路；此時，在兩個控制開關的串聯回路中將出現很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負載。因此，在兩個控制開關K1和K2 同時處于過渡過程期間，兩個開關器件將會產生很大的功率損耗。為了降低控制開關過渡過程產生的損耗，一般在半橋式開關電源電路中，都有意讓兩個控制開關的接通和截止時間錯開一小段時間。

單電容半橋式變壓器開關電源比雙電容半橋式變壓器開關電源節省一個電容器，這是它的優點。另外，單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作的時候，輸出電壓差不多比雙電容半橋式變壓器開關電源是輸出電壓高一倍，這種特點最適用于作為熒光燈電源，例如，節能燈或日光燈以及LCD 顯示屏的背光燈等。

熒光燈一般開始點亮的時候需要很高的電壓，大約幾百伏到幾千伏，而點亮以后工作電壓才需要幾十伏到1 百多伏，因此，幾乎所有的節能燈無一不是使用單電容半橋式變壓器開關電源。

單電容半橋式變壓器開關電源也有缺點，就是開關器件的耐壓要求比雙電容半橋式變壓器開關電源的耐壓高。