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【導(dǎo)讀】在前兩節(jié)學(xué)習(xí)了半橋式變壓器開關(guān)電源原理之后，接下來將繼續(xù)為大家講解半橋式變壓器開關(guān)電源參數(shù)計算，其中包括半橋式開關(guān)電源儲能濾波電感、電容參數(shù)的計算與半橋式開關(guān)變壓器參數(shù)的計算，以及半橋式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點分析。想學(xué)好開關(guān)電源設(shè)計的朋友們不要錯過哦！

電子元件技術(shù)網(wǎng)已連載七期陶顯芳老師的《開關(guān)電源原理與設(shè)計》，前六期內(nèi)容可以點擊電子元件技術(shù)網(wǎng)專題頁面進(jìn)行閱讀。

1-8-2-4半橋式開關(guān)電源儲能濾波電感、電容參數(shù)的計算

半橋式開關(guān)電源儲能濾波電感、電容參數(shù)的計算主要是針對如圖1-46 輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開關(guān)電源中的儲能濾波電感、電容參數(shù)選擇進(jìn)行計算。實際上，圖1-46 輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開關(guān)電源中的儲能濾波電感、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，這里只列出計算儲能濾波電感、電容參數(shù)的公式，對于詳細(xì)分析請參考《1-8-1-3．推挽式變壓器開關(guān)電源儲能濾波電感、電容參數(shù)的計算》章節(jié)的內(nèi)容。

A）半橋式開關(guān)電源儲能濾波電感參數(shù)的計算

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，占空比最好取值為0.25。此分析結(jié)果對于半橋式開關(guān)電源同樣有效。

當(dāng)兩個控制開關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)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?jīng)Q定，即：


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(diào)的半橋式變壓器開關(guān)電源中的儲能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式，即：

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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(diào)的半橋式變壓器開關(guān)電源儲能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)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(guān)電源輸入電壓，Uo 為半橋式變壓器開關(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)電源次級線圈N2 繞組與初級線圈N1 繞組的匝數(shù)比。

上面（1-170）和（1-171）或（1-172）和（1-173）式的計算結(jié)果，只給出了計算輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開關(guān)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(jié)果上再乘以一個大于1 的系數(shù)。

B）半橋式開關(guān)電源儲能濾波電容參數(shù)的計算

根據(jù)前面分析，以及由圖1-35 可以看出，當(dāng)兩個控制開關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源中的儲能濾波電容C 參數(shù)的計算由（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的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc 。

（1-149）式，雖然是計算輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開關(guān)電源儲能濾波電容的公式（D = 0.25時），但對于輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開關(guān)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(jié)果，只給出了計算半橋式變壓器開關(guān)電源儲能濾波電容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 時的情況，對于極端情況可以在平均值的計算結(jié)果上再乘以一個大于1 的系數(shù)。
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1-8-2-5．半橋式開關(guān)變壓器參數(shù)的計算

半橋式變壓器開關(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(guān)變壓器初級線圈N1 繞組匝數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只需稍微修改就可以用于半橋式變壓器開關(guān)變壓器初級線圈N1 繞組匝數(shù)的計算。

A）半橋式開關(guān)變壓器初級線圈匝數(shù)的計算

半橋式變壓器開關(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，因此用于半橋式開關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強度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。半橋式開關(guān)變壓器的計算方法與前面推挽式開關(guān)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(jù)推挽式開關(guān)變壓器

初級線圈匝數(shù)計算公式（1-150）和（1-151）式：


設(shè)直接加到半橋式開關(guān)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(guān)變壓器初級線圈N1 繞組匝數(shù)的公式。式中，N1 為變壓器初級線圈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(guān)電源的工作電壓，單位為伏；τ = Ton，為控制開關(guān)的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關(guān)管導(dǎo)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(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算變壓器初級線圈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：長度為厘米（cm），磁感應(yīng)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(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

半橋式變壓器開關(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，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(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、次級線圈匝數(shù)比。

根據(jù)前面分析，半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開關(guān)變壓器次級線圈輸出的正激電壓來決定。因此，根據(jù)（1-158）、（1-159）、（1-161）等式其中一式就可以出半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得半橋式逆變開關(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比：


（1-176）式就是計算半橋式逆變開關(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1 為變壓器初級線圈N1 繞組的匝數(shù)，N2 為變壓器次級線圈的匝數(shù)，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(dāng)把變壓器的工作效率也考慮進(jìn)去時，最好在（1-176）式的右邊乘以一個略大于1 的系數(shù)。

C）直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(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(diào)整式半橋開關(guān)電源的控制開關(guān)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(diào)整式半橋開關(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比可直接利用（1-176）式來計算。即：


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(diào)整式半橋開關(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源的功能就要求輸出電壓可調(diào)，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源的兩個控制開關(guān)K1、K2 的占空比必須要小于0.5；因為半橋式變壓器開關(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，兩個控制開關(guān)K1、K2 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，占空比最好取值為0.25。根據(jù)（1-140）和（1-145）式，并把輸入電壓Ui 換成Uab 可求得：


（1-177）、（1-178）式，就是計算直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1 為變壓器初級線圈N1 繞組的最少匝數(shù)，N2 為變壓器次級線圈的匝數(shù)，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(guān)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(guān)器件接通時的電壓降。

1-8-2-6．半橋式變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點

半橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式變壓器開關(guān)電源一樣，由于兩個開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個開關(guān)電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，半橋式變壓器開關(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，輸出電壓的電壓脈動系數(shù)Sv 和電流脈動系數(shù)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(dá)到非常小。

半橋式變壓器開關(guān)電源最大的優(yōu)點是，對兩個開關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關(guān)電源對兩個開關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因為，半橋式變壓器開關(guān)電源兩個開關(guān)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(jié)果正好是推挽式變壓器開關(guān)電源兩個開關(guān)器件耐壓的一半。因此，半橋式變壓器開關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場合，一般電網(wǎng)電壓為交流220 伏供電的大功率開關(guān)電源大部分都是用半橋式變壓器開關(guān)電源。
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半橋式開關(guān)電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組，這也是它的優(yōu)點，這對小功率開關(guān)變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關(guān)變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢，因為，大功率開關(guān)變壓器的線圈需要用多股線來繞。

半橋式變壓器開關(guān)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(guān)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(guān)電源中的兩個開關(guān)器件連接沒有公共地，與驅(qū)動信號連接比較麻煩。

半橋式開關(guān)電源最大的缺點是，當(dāng)兩個控制開關(guān)K1 和K2 處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時候，兩個開關(guān)器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩個控制開關(guān)同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關(guān)器件在開始導(dǎo)通的時候，相當(dāng)于對電容充電，它從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)需要一個過渡過程；而開關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時候，相當(dāng)于對電容放電，它從導(dǎo)通狀態(tài)到完全截止?fàn)顟B(tài)也需要一個過渡過程。

當(dāng)兩個開關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過渡過程時，即兩個開關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時半導(dǎo)通狀態(tài)時，相當(dāng)于兩個控制開關(guān)同時接通，它們會造成對電源電壓產(chǎn)生短路；此時，在兩個控制開關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負(fù)載。因此，在兩個控制開關(guān)K1和K2 同時處于過渡過程期間，兩個開關(guān)器件將會產(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，一般在半橋式開關(guān)電源電路中，都有意讓兩個控制開關(guān)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(guān)電源比雙電容半橋式變壓器開關(guān)電源節(jié)省一個電容器，這是它的優(yōu)點。另外，單電容半橋式變壓器開關(guān)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(guān)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(jié)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(jié)能燈無一不是使用單電容半橋式變壓器開關(guān)電源。

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