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【導(dǎo)讀】在前兩節(jié)學(xué)習(xí)了半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源原理之后，接下來(lái)將繼續(xù)為大家講解半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源參數(shù)計(jì)算，其中包括半橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算與半橋式開(kāi)關(guān)變壓器參數(shù)的計(jì)算，以及半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)分析。想學(xué)好開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的朋友們不要錯(cuò)過(guò)哦！

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

1-8-2-4半橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算

半橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算主要是針對(duì)如圖1-46 輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)選擇進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上，圖1-46 輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)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(kāi)關(guān)電源的儲(chǔ)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(jì)算儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的公式，對(duì)于詳細(xì)分析請(qǐng)參考《1-8-1-3．推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感、電容參數(shù)的計(jì)算》章節(jié)的內(nèi)容。

A）半橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)的計(jì)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(kāi)關(guān)電源的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比必須小于0.5，開(kāi)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(shí)，占空比最好取值為0.25。此分析結(jié)果對(duì)于半橋式開(kāi)關(guān)電源同樣有效。

當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時(shí)，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電感L 以及輸出電壓Uo 的計(jì)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(jí)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(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)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(jì)算輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感和濾波輸出電壓的表達(dá)式（D 為0.25 時(shí)）。式中：Uab 為加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2，Ui 為半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸入電壓，Uo 為半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，T 為控制開(kāi)關(guān)的工作周期，F(xiàn) 為控制開(kāi)關(guān)的工作頻率，n 為開(kāi)關(guān)電源次級(jí)線圈N2 繞組與初級(jí)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(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L 的中間值，或平均值，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)。

B）半橋式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)前面分析，以及由圖1-35 可以看出，當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比取值均為0.25 時(shí)，輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電容C 參數(shù)的計(jì)算由（1-149）式?jīng)Q定，即：


（1-149）式中：Io 是流過(guò)負(fù)載的電流，T 為控制開(kāi)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(shí)的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc 。

（1-149）式，雖然是計(jì)算輸出電壓可調(diào)的推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的公式（D = 0.25時(shí)），但對(duì)于輸出電壓可調(diào)的半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算同樣有效。

同理，（1-149）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容C 的中間值，或平均值，即控制開(kāi)關(guān)工作于占空比D 為0.25 時(shí)的情況，對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1 的系數(shù)。
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1-8-2-5．半橋式開(kāi)關(guān)變壓器參數(shù)的計(jì)算

半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵(lì)方式與工作電源的接入方式有點(diǎn)不同；因此，用于計(jì)算推挽式變壓器開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)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(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的計(jì)算。

A）半橋式開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算

半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與推挽式開(kāi)關(guān)電源一樣，也屬于雙激式開(kāi)關(guān)電源，因此用于半橋式開(kāi)關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)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(kāi)關(guān)變壓器的計(jì)算方法與前面推挽式開(kāi)關(guān)變壓器的計(jì)算方法基本相同，只是直接加到變壓器初級(jí)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(kāi)關(guān)變壓器

初級(jí)線圈匝數(shù)計(jì)算公式（1-150）和（1-151）式：


設(shè)直接加到半橋式開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)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(jì)算半橋式開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1 繞組匝數(shù)的公式。式中，N1 為變壓器初級(jí)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(qiáng)度（單位：高斯）；Uab 為加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab=Ui/2，Ui 為開(kāi)關(guān)電源的工作電壓，單位為伏；τ = Ton，為控制開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間，簡(jiǎn)稱脈沖寬度，或電源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度（單位：秒）；F 為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開(kāi)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(lái)計(jì)算變壓器初級(jí)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(zhǎng)度為厘米（cm），磁感應(yīng)強(qiáng)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(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

半橋式變壓器開(kāi)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(duì)比較簡(jiǎn)單，工作效率很高。請(qǐng)參考圖1-36、圖1-38、圖1-39。

用于逆變的半橋式變壓器開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比。

根據(jù)前面分析，半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出的正激電壓來(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比：


（1-176）式就是計(jì)算半橋式逆變開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1 為變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的匝數(shù)，N2 為變壓器次級(jí)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(méi)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(shí)，最好在（1-176）式的右邊乘以一個(gè)略大于1 的系數(shù)。

C）直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開(kāi)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(jí)整流濾波電路。請(qǐng)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(kāi)關(guān)電源的控制開(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比可直接利用（1-176）式來(lái)計(jì)算。即：


不過(guò)，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(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1、K2 的占空比必須要小于0.5；因?yàn)榘霕蚴阶儔浩鏖_(kāi)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(gè)控制開(kāi)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(shí)，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(jì)算直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開(kāi)關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1 為變壓器初級(jí)線圈N1 繞組的最少匝數(shù)，N2 為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)，Uo 為直流輸出電壓，Uab 為加到變壓器初級(jí)線圈N1 繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2，Ui 為開(kāi)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(kāi)關(guān)器件接通時(shí)的電壓降。

1-8-2-6．半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)缺點(diǎn)

半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源與推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源一樣，由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開(kāi)關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，半橋式變壓器開(kāi)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(dòng)系數(shù)Sv 和電流脈動(dòng)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(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求比推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求可以降低一半。因?yàn)椋霕蚴阶儔浩鏖_(kāi)關(guān)電源兩個(gè)開(kāi)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(dòng)勢(shì)之和，大約是電源電壓的兩倍，這個(gè)結(jié)果正好是推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件耐壓的一半。因此，半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源主要用于輸入電壓比較高的場(chǎng)合，一般電網(wǎng)電壓為交流220 伏供電的大功率開(kāi)關(guān)電源大部分都是用半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源。
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半橋式開(kāi)關(guān)電源的變壓器初級(jí)線圈只需要一個(gè)繞組，這也是它的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)小功率開(kāi)關(guān)變壓器的線圈繞制多少帶來(lái)一些方便。但對(duì)于大功率開(kāi)關(guān)變壓器的線圈繞制沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椋蠊β书_(kāi)關(guān)變壓器的線圈需要用多股線來(lái)繞。

半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是電源利用率比較低，因此，半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源不適宜用于工作電壓較低的場(chǎng)合。另外，半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件連接沒(méi)有公共地，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接比較麻煩。

半橋式開(kāi)關(guān)電源最大的缺點(diǎn)是，當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1 和K2 處于交替轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的時(shí)候，兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)很短時(shí)間的半導(dǎo)通區(qū)域，即兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)同時(shí)處于接通狀態(tài)。這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)器件在開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)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(gè)過(guò)渡過(guò)程；而開(kāi)關(guān)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)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(gè)過(guò)渡過(guò)程。

當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件分別處于導(dǎo)通和截止過(guò)渡過(guò)程時(shí)，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件都處于半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)半導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)同時(shí)接通，它們會(huì)造成對(duì)電源電壓產(chǎn)生短路；此時(shí)，在兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個(gè)電流并沒(méi)有通過(guò)變壓器負(fù)載。因此，在兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)K1和K2 同時(shí)處于過(guò)渡過(guò)程期間，兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件將會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。為了降低控制開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的損耗，一般在半橋式開(kāi)關(guān)電源電路中，都有意讓兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)的接通和截止時(shí)間錯(cuò)開(kāi)一小段時(shí)間。

單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源比雙電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源節(jié)省一個(gè)電容器，這是它的優(yōu)點(diǎn)。另外，單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源剛開(kāi)始工作的時(shí)候，輸出電壓差不多比雙電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源是輸出電壓高一倍，這種特點(diǎn)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(kāi)始點(diǎn)亮的時(shí)候需要很高的電壓，大約幾百伏到幾千伏，而點(diǎn)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(wú)一不是使用單電容半橋式變壓器開(kāi)關(guān)電源。

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