【導(dǎo)讀】在學(xué)習(xí)了推挽式變壓器開關(guān)電源原理與參數(shù)的計算之后，接下來要為大家講解的是半橋式變壓器開關(guān)電源，從原理上來說，半橋式變壓器開關(guān)電源也屬于推挽式變壓器開關(guān)電源，它是多種推挽式變壓器開關(guān)電源家庭成員之一，更適用于工作電壓比較高的場合。來看看陶老師對半橋式變壓器開關(guān)電源又有什么獨(dú)到的見解吧！
在半橋式變壓器開關(guān)電源中，也是兩個控制開關(guān)K1和K2輪流交替工作，開關(guān)電源在整個工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性也很好。
由于半橋式變壓器開關(guān)電源當(dāng)K1開通的時候，K2的電壓正好等于輸入電壓，相當(dāng)于K2的耐壓可比反激式電源或正激式電源的耐壓低一半（占空比等于二分之一時），因此，半橋式變壓器開關(guān)電源比較適用于工作電壓比較高的場合。
本期先為大家講解交流輸出半橋式變壓器開關(guān)電源。
1-8-2-1．交流輸出半橋式變壓器開關(guān)電源
圖1-36是交流輸出半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理圖。圖中，K1、K2是兩個控制開關(guān)，它們工作的時候，總是一個接通，另一個關(guān)斷，兩個控制開關(guān)輪流交替工作；電容器C1、C2是儲能濾波電容，同時也是電源分壓電容，它們把電源電壓一分為二；一個充滿電的電容，我們可以把它看成是一個電源，因此，我們可以把電容器C1、C2看成是兩個電源串聯(lián)對變壓器負(fù)載供電；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1-36原理圖中可以看出，電容器C1和C2與控制開關(guān)K1和K2正好組成一個電橋的兩臂，變壓器作為負(fù)載被跨接于電橋兩臂的中間。但由于電容器C1和C2的參數(shù)或電壓基本上沒有跟隨控制開關(guān)K1和K2的導(dǎo)通和截止同步變動，并且在實(shí)際應(yīng)用中為了節(jié)省成本，經(jīng)常只使用一個電容器C1或C2，因此，我們把圖1-36的電路稱為半橋式開關(guān)電源電路，或半橋式變壓器開關(guān)電源。
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圖1-36中，電容器C1、C2首先要被輸入電源Ui充電，兩個充滿電的電容器相當(dāng)于兩個電源串聯(lián)。當(dāng)控制開關(guān)K1接通時，電容器C1兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，電容器C1將通過變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行放電；同時，由于互感的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與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)電源輸出一個正半周電壓。
當(dāng)控制開關(guān)K1由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，控制開關(guān)K2則由關(guān)斷轉(zhuǎn)為接通，電容器C2兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端，電容器C2也將通過變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行放電；同理，由于電磁感應(yīng)的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與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)電源輸出一個負(fù)半周電壓。
由于電容器C1放電電流的方向正好與電容器C2放電電流的方向相反，因此，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端輸出電壓uo是一個脈沖寬度與控制開關(guān)K1（或K2）接通時間對應(yīng)的方波。
由于輸入電源Ui直接與串聯(lián)電容器C1和C2連接在一起，因此，在任一時刻，當(dāng)一個電容器在進(jìn)行放電的時候，另一個電容器就會進(jìn)行充電，兩個電容器充、放電的電荷總是相等。
下面我們進(jìn)一步詳細(xì)分析半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理。
圖1-36中，輸入電源Ui首先對電容器C1、C2進(jìn)行充電，當(dāng)控制開關(guān)K1接通時，電容器C1兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的兩端，電容器C1將通過變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行放電。電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢e1，在次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2；感應(yīng)電動勢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產(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個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：
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，另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通，記為Δφ1。顯然φ10=－φ2，Δφ1=φ。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量φ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(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，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。
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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：
上式中，e1為變壓器初級線圈產(chǎn)生的電動勢，Uab為電源加于變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab=Ui/2，dφ/dt變壓器鐵心中磁通的變化率。這里我們假定電容器C1或C2兩端的電壓在K1接通期間基本保持不變，其兩端電壓正好等于輸入電壓Ui的二分之一。
同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：
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)（1-156）式和（1-157）式可以求得：
（1-158）式就是半橋式變壓器開關(guān)電源正激輸出時的電壓關(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)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接通期間，半橋式變壓器開關(guān)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接通時，開關(guān)變壓器N2線圈繞組輸出的正激電壓幅值（Up-）為：
上式中的負(fù)號表示e2的符號與（1-158）中的符號相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反，因?yàn)閁ab=-Uba。
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這里還需指出，（1-158）式和（1-159）式列出的計算結(jié)果，并沒有考慮控制開關(guān)K1或K2關(guān)斷瞬間，勵磁電流存儲的能量產(chǎn)生反電動勢的影響。當(dāng)控制開關(guān)K1或K2關(guān)斷瞬間，流過開關(guān)變壓器初級線圈的勵磁電流由最大值突然下降為零，使開關(guān)變壓器鐵心中的磁通量也要跟著產(chǎn)生變化；即：開關(guān)變壓器的初、次級線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種感應(yīng)電動勢是勵磁電流存儲于關(guān)變壓器鐵心中的磁能量產(chǎn)生的；這種感應(yīng)電動勢對于變壓器次級線圈電壓輸出繞組來說，屬于反激式輸出。即：半橋式變壓器開關(guān)電源同時存在正、反激電壓輸出。
反激式電壓產(chǎn)生的原因是因?yàn)镵1或K2接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。
實(shí)際上，半橋式變壓器開關(guān)電源的反激式輸出電壓部分是不能忽略的。半橋式變壓器開關(guān)變壓器次級線圈的輸出電壓應(yīng)該同時包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。
因此，圖1-36中，當(dāng)控制開關(guān)K1關(guān)斷，K2接通瞬間，開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓應(yīng)該等于正激電壓與反激電壓之和。正激電壓的計算可由（1-158）和（1-159）式給出，反激電壓的計算可由（1-67）或（1-68）式給出。關(guān)于純電阻負(fù)載反激式輸出電壓的計算，請參考前面《1-5-1．單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理》章節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容分析，這里不再贅述。
根據(jù)（1-67）式可求得，開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓為：
上式中，[uo]表示開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組輸出的反激式電壓，[i2]表示開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組輸出反激式電壓對負(fù)載R產(chǎn)生的電流。
另外根據(jù)（1-159）式求得的結(jié)果，開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓為：
上面兩式中，[uo]表示開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組產(chǎn)生的反激式輸出電壓，（uo）表示開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組產(chǎn)生的正激式輸出電壓。
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因此，開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓uo等于正激電壓（uo）與反激電壓[uo]之和，即：
（1-162）式就是半橋式變壓器開關(guān)電源在負(fù)載為純電阻時，輸出電壓uo的表達(dá)式。由（1-162）式可以看出，當(dāng)t=0時，即：控制開關(guān)K1關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值：
從（1-163）式可以看出，在控制開關(guān)K1關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級線圈回路負(fù)載開路，或負(fù)載很輕的時候，變壓器次級線圈回路會產(chǎn)生非常高的反電動勢。
但在實(shí)際應(yīng)用中，并不完全是這樣。因?yàn)?，?dāng)控制開關(guān)K1關(guān)斷瞬間，控制開關(guān)K2也會同時接通，此時開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組同時也被接到另一個電路中，即：原來K1接通時，由C1電源（充滿電后的電容可看成是一個電源）對開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行供電，現(xiàn)在K2接通后，轉(zhuǎn)換成由C2電源對開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行供電。
當(dāng)K2剛接通的瞬間，N1繞組產(chǎn)生的反電動勢正好與C2電源電壓的方向相反，因此，在K2接通瞬間，C2電源不是馬上對開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組進(jìn)行供電，而是N1繞組產(chǎn)生的反電動勢首先對電容器C2進(jìn)行充電；相當(dāng)于在控制開關(guān)K2接通瞬間，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C2吸收，待反電動勢的能量基本被吸收完后，電容器C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。
上面的（1-162）和（1-163）式并沒有完全考慮，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進(jìn)行反充電所產(chǎn)生的影響。當(dāng)開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組產(chǎn)生的反電動勢對電容器C1和C2進(jìn)行反充電時，相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進(jìn)行限幅。因此，變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo]，并不會像（1-162）和（1-163）算式所表達(dá)的結(jié)果那么高。
顯然變壓器次級線圈回路產(chǎn)生反電動勢的高低還與控制開關(guān)K1和K2交替接入的時間差有關(guān)，與K1和K2的接入電阻的大小還有關(guān)。一般電子開關(guān)，如晶體管或場效應(yīng)管，剛開始導(dǎo)通的時候也不能簡單地看成是一個開關(guān)，它從截止到導(dǎo)通，或從導(dǎo)通到截止，都需要一個過渡過程，因此，它也會存在一定的開關(guān)損耗。
另外，根據(jù)（1-75）式：
還可以知到，當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均等于0.5時，變壓器正激輸出電壓的半波平均值Upa與反激輸出的半波平均值Upa-基本相等。因此，只有在控制開關(guān)K2接通與控制開關(guān)K1斷開兩者之間存在時間差時，變壓器次級線圈回路才會產(chǎn)生非常高的反電動勢；但當(dāng)控制開關(guān)K1和K2的占空比均小于0.5時，雖然反電動勢的幅度比較高，但由于正激式開關(guān)電源的勵磁電流一般都非常?。ㄐ∮?0%），其產(chǎn)生反電動勢的能量也很小。即：反電動勢脈沖的寬度很窄。
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根據(jù)上面分析和（1-75）式可知，反電動勢（反激輸出電壓）的半波平均值還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正激電壓的半波平均值。
所以，（1-162）和（1-163）式所表示的結(jié)果，可看成是半橋式變壓器開關(guān)電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）的表達(dá)式。
根據(jù)上面分析，在一般情況下，半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要還是由（1-158）、（1-159）、（1-161）等式來決定。即：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N2繞組輸出的正激電壓來決定。
圖1-37是圖1-36半橋式變壓器開關(guān)電源，在負(fù)載為純電阻，且兩個控制開關(guān)K1和K2的占空比D均等于0.5時，變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。
圖1-37-a）和圖1-37-b）分別表示控制開關(guān)K1接通時，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓Uab的波形，和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic1的波形；圖1-37-c）和圖1-37-d）分別表示控制開關(guān)K2接通時，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uba的波形，和流過開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic2的波形；圖1-37-e）和圖1-37-f）分別表示控制開關(guān)K1和K2輪流接通時，開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形。
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從圖1-37-b）和圖1-37-d）中我們可以看出，當(dāng)控制開關(guān)K1或K2接通瞬間，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流，其初始值并不等于0，而是產(chǎn)生一個電流突跳，這是因?yàn)樽儔浩鞔渭壘€圈N2繞組中有電流流過的原因。
當(dāng)變壓器次級線圈N2繞組有負(fù)載電流流過時，其產(chǎn)生的磁通方向正好與流過變壓器次級線圈N1繞組勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向相反，因此，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流也要在原來勵磁電流的基礎(chǔ)上再增加一個電流，來抵消流過變壓器次級線圈N2繞組電流的影響。增加電流的大小等于流過變壓器次級線圈N2繞組電流的n倍，n為變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比。
從圖1-37-f）中我們可以看出，流過開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形是個矩形波，而不是三角波。這是因?yàn)榘霕蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源同時存在正、反激電壓輸出的緣故。當(dāng)變壓器同時存在正、反激電壓輸出時，反激式輸出的電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值，如圖中虛線箭頭所示；而正激式輸出的電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值，如圖中實(shí)線箭頭所示；因此，兩者同時作用的結(jié)果，正好輸出一個矩形波。
從圖1-37-e）還可以看出，輸出電壓uo由兩個部分組成，一部分為電容器C1或C2存儲的電壓Uc1或Uc2通過變壓器初級線圈N1繞組感應(yīng)到次級線圈N2繞組的正激式輸出電壓（uo），這個電壓的幅度比較穩(wěn)定，一般不會隨著時間變化而變化；另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量產(chǎn)生的反激式輸出電壓[uo]，這個電壓會使波形產(chǎn)生反沖，其幅度是時間的指數(shù)函數(shù)，它會隨著時間增大而變變小。
這里還需指出，圖1-37-e）中的波形有上沖，在純電阻負(fù)載中是正常的，盡管在控制開關(guān)K1或K2接通瞬間，開關(guān)變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C1或C2吸收，待反電動勢的能量基本被吸收完后，電容器C1或C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進(jìn)行限幅。
但由于控制開關(guān)K1、K2在剛接通瞬間有比較大的電阻，因此，變壓器次級線圈N2繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。另外，如果兩個儲能分壓電容的容量取得比較小，電源輸出電壓uo也會受電容的充放電過程影響，即：輸出電壓受Uc1或Uc2的變化調(diào)制，此時波形的上沖現(xiàn)象顯得更為嚴(yán)重。
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不過在大多數(shù)情況下，最好還是采用半波平均值的概念來進(jìn)行電路分析或計算，以免需要進(jìn)行復(fù)雜的指數(shù)函數(shù)運(yùn)算。
在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(guān)器件擊穿，降低開關(guān)器件半導(dǎo)通狀態(tài)期間的損耗和半橋式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的反沖幅度，一般可在圖1-36中兩個控制開關(guān)，每個控制開關(guān)的兩端都并聯(lián)一個阻尼二極管，如圖1-38所示。
在圖1-38中，D1、D2為阻尼二極管，它們分別與控制開關(guān)K1、K2并聯(lián)。當(dāng)控制開關(guān)K1由接通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時，不管K2處于什么工作狀態(tài)，接通或關(guān)斷，只要N1線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1的幅度超過電容器C2兩端的電壓Uc2，二極管D2就會導(dǎo)通，相當(dāng)于感應(yīng)電動勢e1通過二極管D2被電容C2兩端的電壓Uc2進(jìn)行限幅，同時也相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應(yīng)被Uc2進(jìn)行限幅，而二極管D2對控制開關(guān)K2的工作幾乎不受影響。
同理，當(dāng)控制開關(guān)K2由接通轉(zhuǎn)換到關(guān)斷時，不管K1處于什么工作狀態(tài)，只要N1線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1的幅度超過電容器C1兩端的電壓Uc1，二極管D1就會導(dǎo)通，感應(yīng)電動勢e1就會通過二極管D1被電容器C1兩端的電壓Uc1進(jìn)行限幅，這也相當(dāng)于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應(yīng)被Uc2進(jìn)行限幅，而二極管D2對控制開關(guān)K2的工作幾乎不受影響。
一般人們都把D1、D2稱為阻尼二極管，這是因?yàn)镈1、D2沒有直接對輸出電壓uo進(jìn)行限幅，而是通過變壓器初、次級之間的感應(yīng)作用間接進(jìn)行的。實(shí)際應(yīng)用中，一般都在開關(guān)三極管的E-C或場效應(yīng)管的S-D兩個電極內(nèi)部封裝有一個阻尼二極管，其作用就是用來對輸出電壓反沖進(jìn)行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個作用是防止變壓器初級線圈N1繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e1對控制開關(guān)K1、K2反向擊穿。
往期回顧：
陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計——
連載一：開關(guān)電源電路的過渡過程
http://tjip.net.cn/power-art/80021728
連載二：反激式變壓器開關(guān)電源電路參數(shù)計算
http://tjip.net.cn/power-art/80021774
連載三：推挽式變壓器開關(guān)電源原理
http://tjip.net.cn/power-art/80021801
連載四：推挽式變壓器開關(guān)電源參數(shù)的計算
http://tjip.net.cn/power-art/80021833
