半桥式电源设计的要求和原则

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。如图1-3所示，电容器C1、C2与开关晶体管VT1、VT2组成半桥式变换电路。桥的对角线接高频变压器TR一次绕组的上下两端，故称半桥式变换开关电源。对半桥式变换电源的设计要求：1）要求两只开关晶体管具有相同或十分接近的频率特性、开关特性、开关管的输入、输出阻抗，尤其是开关管的导通阻抗。

半桥式变换器是离线开关电源较好的拓扑结构。如图1-3所示，电容器C₁、C₂与开关晶体管VT₁、VT₂组成半桥式变换电路。桥的对角线接高频变压器TR一次绕组的上下两端，故称半桥式变换开关电源。如果C₁=C₂，某一开关晶体管导通时，供电电压V_in使桥路的一只开关管导通，给电容C₁和C₂充电，一次绕组L_P承受供电电压的一半，另一半加在另一只电容上。由于一次绕组电感和漏感作用，电流继续流入一次绕组黑点标识的端点。如果变压器一次绕组存储的电能足够大，二极管VD₄导通，钳位电压进一步变负。VD₄导通后，电感上的电能对C₂充电，A点的电压在阻尼电阻R₂的作用下，使电容C₂上的电压回到平均值。如果这时VT₂的基极有触发脉冲作用，VT₂马上导通，一次绕组黑点标识电压即由正变负，一次电流I_P外加励磁的磁化电流一起流入VT₂，然后重复上述过程。晶体管在导通期间，流过L的电流增加，而晶体管在截止时，流过L的电流减少，平均电流处在VD₁、VD₂全波整流的条件下是脉动不变的电流I_o，它的输出电压为

图1-3 半桥式变换电路

式中，n为变压器匝数比。控制转换过程的占空比D，它使输入电压和负载电流发生变化时输出电压保持恒定不变。这说明输出电压V_o与输入电压、变压器匝数比以及调制占空比有直接关系。

对半桥式变换电源的设计要求：

1）要求两只开关晶体管具有相同或十分接近的频率特性、开关特性、开关管的输入、输出阻抗，尤其是开关管的导通阻抗。要认真选用，不允许出现“直通车”、“趋向饱和”等十分恶劣现象出现。

2）要求振荡频率稳定，否则电源的质量不能满足。对于电流式振荡器，它的频率波形是由外部电容C_F和反馈电阻R_F，以及桥臂的泄放电阻R_D决定的，计算公式如下：

式中，T_OSC是谐振振荡频率周期；t_IRS是在振荡启动的电流充电时间；t_ITS是在振荡启动的电流放电时间。

最高频率的高低，很大程度决定半桥式电源的输出功率，而最高频率的精确性与电路的延迟时间减少有关。(https://www.chuimin.cn)

3）半桥式、全桥式以及推挽式都用在500W以上的大功率场合，对于电路保护仍是电源维持寿命的重点，首先是过电流保护。一般情况下电桥控制电路检测端电压超过控制模块标准电压0.5V时，这时电感电流阈值就会使控制电流超越正常值的1.3倍，此时导通了开关管的极限阈值，驱动器件会急剧地降低驱动输出信号，如图1-3所示。

电感电流的阈值计算由下式得到：

式中，R_S为处在过电流状态下，检测端与地的输入阻抗；R_CS为处在正常状态下，检测端与地的电阻；I_S（OCP）为电路的过电流保护电流。

设计人员应有条件地选择好控制元件的检测电阻，以保证电感电流不超过阈值，使电源安全不受到威胁，这是最基本的要求。

4）过功率限制。检测电流I_CS时刻监视着负载的变化和输入电压越限过电压或欠电压的主要参考值。输入电压、电流U_ac和I_VAC，它们的乘积代表输入功率U_acI_VAC，当乘积大于容许值时，则将电路的输出的电压拉到设计值V_o的范围内；当输入电压V_in被推到最大值时，这时半桥式控制部件将占空比转换到最小，输入的电流I_VAC被限制住，过功率限制的乘积U_acI_VAC会自动地钝化，这时的输入功率：

5）欠电压锁定和过热保护。输入电压过低，虽然半桥的两只开关晶体管所承受的反向励磁电压是安全的，但整个变换电路在这种低压下反复励磁，磁化电流的传输电子被堆积在一次绕组和开关管的漏极区域之间，这样，由于启动电压不足，使高频变压器和开关管发热，经过几个周期，很可能使开关管烧毁。实施欠电压锁定的基本原理就是电路振荡停止，不使开关管积聚传输电子。如果电路功能具备，加接一只热敏电阻也是可行的。当电路温度上升到一定高温后，热敏电阻动作被启动，切断控制部件或IC的电源，停止工作。但这种热保护滞后的时间较长、反应慢，往往热敏电阻未启动，开关管就烧掉了。如果采用前沿控制技术与平均电流模式，在全球电压范围内和负载大扰动下，无需任何监控信号，都能使电源在可控范围内运行。

半桥式电源设计的要求和原则

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