開關電源原理與設計（連載43）全橋式變壓器開關電源

1-8-3．全橋式變壓器開關電源

全橋式變壓器開關電源也屬于雙激式變壓器開關電源。它同時具有推挽式變壓器開關電源電壓利用率高，又具有半橋式變壓器開關電源耐壓高的特點。因此，全橋式變壓器開關電源經常用于工作電壓高，輸出大功率大的場合。

1-8-3-1．全橋式變壓器開關電源的工作原理

圖1-47是全橋式變壓器開關電源工作原理圖。圖中，K1、K2、K3、K4是4個控制開關，它們被分成兩組；K1和K4為一組，K2和K3為另一組。開關電源工作的時候，總是一組接通，另一組關斷，兩組控制開關輪流交替工作；T為開關變壓器，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為負載電阻；uo為輸出電壓，io為流過負載的電流。

從圖1-47原理圖中可以看出，控制開關K1和K4與控制開關K2和K3正好組成一個電橋的兩臂，變壓器作為負載被跨接于電橋兩臂的中間。因此，我們把圖1-47的電路稱為全橋式開關電源電路。

圖1-47中，當控制開關K1和K4接通時候，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，同時，由于電磁感應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Ui成正比的電壓，并加到負載R的兩端，使開關電源輸出一個正半周電壓。

當控制開關控制開關K1和K4由接通轉為關斷的時候，控制開關K2和K3則由關斷轉為接通，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端；同理，由于電磁感應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，并加到負載R的兩端，使開關電源輸出一個負半周電壓。

全橋式變壓器開關電源工作原理與推挽式變壓器開關電源以及半橋式變壓器開關電源的工作原理是很相似的，因此，分析方法也基本相同。下面我們進一步詳細分析全橋式變壓器開關電源的工作原理。

當控制開關K1和K4接通時候，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，在變壓器初級線圈N1繞組中將有電流經過，通過電磁感應會在變壓器的鐵心中產生磁場，并產生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產生自感電動勢e1，在次級線圈N2繞組的兩端也會產生感應電動勢e2；感應電動勢e2作用于負載R的兩端，從而產生負載電流。

因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產生的合成磁場，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繞組電流產生的磁通量，用 Φ2來表示變壓器次級線圈電流產生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產生的磁場方向總是相反，則在控制開關K1和K4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生的合成磁場的總磁通量Φ 為：

Φ = Φ1－ Φ2 —— K1和K4接通期間 （1-179）

其中變壓器初級線圈電流產生的磁通 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生的磁通 Φ2，記為 Φ10，另一部分是由勵磁電流產生的磁通，記為ΦΔ 1。顯然 Φ10 =－ Φ2，ΦΔ 1 =Φ 。即：變壓器鐵心中產生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關，與流過變壓器次級線圈中的電流無關；流過變壓器次級線圈中的電流產生的磁通Φ，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產生的磁通抵消。

根據電磁感應定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：

e1 = N1*dΦ/dt =Uab —— K1和K4接通期間 （1-180）

上式中，e1為變壓器初級線圈產生的電動勢，Uab為電源加于變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui，變壓器鐵心中磁通的變化率。

同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：

e2 = N2*dΦ/dt =（Up）—— K1和K4接通期間 （1-181）

上式中，（Up）為開關變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流或開關變壓器鐵心中的磁通是線性變化的，所以我們可認為開關變壓器次級線圈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（1-180）式和（1-181）式可以求得：

（Up）= e2 =ne1 =nUi —— K1和K4接通期間 （1-182）

（1-182）式就是全橋式變壓器開關電源正激輸出時的電壓關系式。上式中，（Up）為開關變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值；Ui為開關電源變壓器初級線圈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也可以看成是開關變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數比，即：n = N2/N1。

由此可知，在控制開關K1和K4接通期間，全橋式變壓器開關電源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/初級變壓比有關系。

同理我們也可以求得，當控制開關K2和K3接通時，開關變壓器N2線圈繞組輸出的正激電壓幅值（Up-）為：

（Up-）= －e2 =－ne1 = －nUi —— K2和K3接通期間 （1-183）

上式中的負號表示e2的符號與（1-182）中的符號相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反，因為 Uab=－Uba 。