全橋變換器原理

　　橋式變換器由四個功率晶體管組成。相對于半橋而言，功率晶體管及驅(qū)動裝置個數(shù)要增加1倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場合。

　　線路的優(yōu)點：主變壓器只需要一個原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下，最大的反向電壓不會超過電源電壓V_s，四個能量恢復(fù)（再生）二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。

　　線路的缺點：需要功率元件較多。在導(dǎo)通的回路上，至少有兩個管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器1倍。但是在高壓離線開關(guān)電源系統(tǒng)中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復(fù)（再生）方式，由于有四個二極管，損耗略有增加。

　　圖１示出一個DC-DC橋式變換器的主回路。橋?qū)堑膬蓚€功率晶體管作為一組，每組同時接通或斷開（也可其他方式），兩組開關(guān)輪流工作，在一周期中的短時間內(nèi)，四個開關(guān)管將均處于斷開狀態(tài)。四個開關(guān)導(dǎo)通（或關(guān)斷）占空比值均相等。

圖１　橋式變換器的主電路圖

　　圖１中用到一個與發(fā)射極電流成比例的基極驅(qū)動電路，特點是使得基極驅(qū)動電流總是與集電極電流成比例。這種技術(shù)特別適合大功率的變換器。

　　在穩(wěn)態(tài)條件下，功率管斷開期間，濾波電感L₁上有一確定的電流量，并經(jīng)過續(xù)流二極管D₅、D₆繼續(xù)流動。二管的電流基本相等，二管電流之和折算到原邊繞組T_1p，就是T_r1、T_r3（或T_r2、T_r4）關(guān)斷前T_1p上流過的電流值（扣除一小部分的磁化電流）。由于二極管D₅、D₆同時導(dǎo)通，副邊繞組兩端的電壓為零。典型的集電極電壓波形V_Tr4C、副邊電壓波形V_T1S等如圖２所示。

圖２　橋式變換器原邊、副邊電壓及原邊電流波形{{分頁}}

　　其工作過程如下：

　　給T_r1、T_r3觸發(fā)脈沖，這兩個晶體管都導(dǎo)通，集電極電流流過原邊繞組T_1p和相應(yīng)的驅(qū)動變壓器的原邊繞組T_2A、T_2B。通過正反饋，這兩個晶體管的觸發(fā)性能得到改善，使開關(guān)快速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

　　隨著T_r1和T_r3的導(dǎo)通，受原邊繞組漏感影響，原邊繞組T_1p上的電流I_p以額定速率逐漸上升，這個電流由負(fù)載電流折算值和一小部分磁化電流所組成。

　　同時，副邊的整流二極管D₅的電流增加，D₆的電流會減少。其速率由副邊繞組的漏感和經(jīng)過D₅和D₆的環(huán)路電感所確定。對于低電壓、大電流的輸出，外環(huán)路電感的影響尤為顯著。當(dāng)副邊電流增加到在T_r1和T_r3導(dǎo)通前折算流過L₁的電流數(shù)值時，D₆反向偏置。這時L₁的輸入電壓上升到副邊線圈的電壓值V’_s(=V_T1s)減去D₅的壓降。

　　L₁兩端的電壓為（V’_s-V_o）作為正向。在此期間，L₁電流線性變化。這個電流折算到原邊，如圖２所示。

　　經(jīng)過驅(qū)動電路決定的導(dǎo)通占空比后，基極驅(qū)動變壓器使基極驅(qū)動電流為零，使T_r1和T_r3截止。然而，在變壓器原邊磁化電流和安匝數(shù)具有保持不變特性，這個電流會轉(zhuǎn)換到副邊。接著，由于T_1p極性反向，所有繞組的電壓反向。如果漏感非常小，緩沖電容器C₅、R₅和輸出整流二極管D₅、D₆會起到鉗位作用。D₅和D₆會把大部分的反激電勢傳送給輸出，因為原邊二極管D₁到D₄和副邊二極管D₅、D₆的強(qiáng)制鉗位，很多時候靠這幾個二極管使開關(guān)晶體管兩端的電壓任何時候都不會超過電壓V_s。

　　每個T_r晶體管旁均并有阻容元件（如R₅、C₅）作為緩沖器。在T_r2瞬間斷開時，緩沖器元件R₅、C₅通過提供交流通道，減少功率晶體管斷開時的集電極電壓應(yīng)力。

　　由輸出二極管提供反激續(xù)流作用是線路的一個重要特色。在圖１中，D₅和D₆均導(dǎo)通時，副邊繞組兩端電壓為零，原邊繞組兩端電壓也為零。因此，在四個晶體管都關(guān)斷期間鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度不會恢復(fù)到B_r，而會保持在磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值+B_opt或-B_opt。因此，當(dāng)另一對開關(guān)管從關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，磁密增加范圍可以是2B_opt。這種情況不會引起什么問題，而且變壓器原邊匝數(shù)可以比較少。

　　當(dāng)負(fù)載很小并且小到低于磁化電流時，副邊二極管的鉗位作用就會消失。然而沒什么問題，因為在這種情況下，觸發(fā)脈沖非常窄，而磁感應(yīng)強(qiáng)度增量也很小。

　　啟動或當(dāng)負(fù)載很小，占空比很小，脈沖很窄時，對應(yīng)的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度B_w很小，如果負(fù)載突然增加，激勵使導(dǎo)通占空比最大，滿脈寬工作，即有雙倍磁通效應(yīng)，如超過飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B_s，這種情況與半橋式相似，應(yīng)采用防止措施。