2.8　全橋式變換器的工作原理

全橋式DC/DC變換器，簡稱全橋式變換器，英文為Full Bridge Converter。將半橋式DC/DC變換器的兩只分壓電容更換為一對功率開關(guān)管，就構(gòu)成了全橋式DC/DC變換器。全橋式變換器適用于輸出功率500W以上的隔離式開關(guān)電源。例如，通信基站用電源，電動汽車充電器電源等。

2.8.1　全橋式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-8-1所示。T為高頻變壓器，N_P為初級繞組，N_S1和N_S2為次級繞組，次級繞組帶中心抽頭，N_S1和N_S2匝數(shù)相同。初級繞組與次級繞組的極性相同，同名端位置如圖中所示。4只功率開關(guān)管被分成兩組：VT₁和VT₄，VT₂和VT₃。VD₁和VD₂為輸出整流二極管，L為輸出濾波電感，C為輸出濾波電容。U_O為直流輸出電壓，R_L為外部負(fù)載電阻。脈寬調(diào)制器（PWM）產(chǎn)生兩路相位差為180°的控制信號U_A和U_B，其中，U_A驅(qū)動VT₁和VT₄，U_B驅(qū)動VT₂和VT₃，使兩組功率開關(guān)管交替工作，是變換器的控制核心。

同半橋式變換器相比，全橋式變換器增加了兩只功率開關(guān)管。通常需要用脈沖變壓器來耦合驅(qū)動信號，使4只功率開關(guān)管的驅(qū)動控制信號U_A和U_B彼此電氣隔離，其驅(qū)動電路更加復(fù)雜，電源成本較高。

2.8.2　全橋式DC/DC變換器的工作原理

脈寬調(diào)制器（PWM）產(chǎn)生的兩路控制信號U_A和U_B交替出現(xiàn)，當(dāng)U_A為高電平時(shí)，U_B為低電平（反之亦然）。功率開關(guān)管VT₁、VT₄和VT₂、VT₃在脈寬調(diào)制（PWM）信號的控制下，交替地導(dǎo)通與關(guān)斷（也稱截止），相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)高速地閉合與斷開。為了便于電路分析，以下圖中用開關(guān)S₁~S₄的閉合與斷開來代替VT₁~VT₄的導(dǎo)通和關(guān)斷。

當(dāng)U_A為高電平時(shí)，功率開關(guān)管VT₁和VT₄導(dǎo)通（此時(shí)VT₂和VT₃截止），圖2-8-2示出了VT₁、VT₄導(dǎo)通（S₁、S₄閉合），VT₂、VT₃關(guān)斷（S₂、S₃斷開）時(shí)的電流路徑。輸入電壓U_I通過S₁和S₄施加到初級繞組N_P上，使初級電流I_P1線性地增加。N_P的感應(yīng)電動勢為上“+”下“-”。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，高頻變壓器的次級繞組N_S1和N_S2兩端的感應(yīng)電動勢也為上“+”下“-”，此時(shí)次級整流二極管VD₁導(dǎo)通，VD₂截止。次級繞組N_S1產(chǎn)生的電壓U_S1施加到輸出濾波電感L左端，形成線性增加的次級電流I_S1（即整流二極管VD₁的正向電流），電感儲存的能量也在增加，L上的感應(yīng)電動勢為左“+”右“-”。I_S1為輸出濾波電容C充電，并為負(fù)載R_L提供輸出電流I_O。次級繞組電流I_S1為電容充電電流I₁和負(fù)載電流I_O的總和。

當(dāng)U_B為高電平時(shí)，功率開關(guān)管VT₂和VT₃導(dǎo)通（此時(shí)VT₁和VT₄截止），圖2-8-3示出了VT₂、VT₃導(dǎo)通（S₂、S₃閉合），VT₁、VT₄關(guān)斷（S₁、S₄斷開）時(shí)的電流路徑。輸入電壓U_I通過S₂和S₃反向施加到初級繞組N_P上，使反向的初級電流I_P2線性地增加。N_P的感應(yīng)電動勢為上“-”下“+”。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，高頻變壓器的次級繞組N_S1和N_S2兩端的感應(yīng)電壓也為上“-”下“+”，此時(shí)次級整流二極管VD₂導(dǎo)通，VD₁截止。次級繞組N_S2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U_S2施加到輸出濾波電感L左端，形成線性增加的次級電流I_S2（即整流二極管VD₂的正向電流），電感儲存的能量也在增加，L上的感應(yīng)電動勢為左“+”右“-”。I_S2為輸出濾波電容C充電，并為負(fù)載R_L提供輸出電流I_O。次級繞組電流I_S2為電容充電電流I₂和負(fù)載電流I_O的總和。

和推挽式變換器類似，為了避免兩組功率開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，全橋式變換器中脈寬調(diào)制器（PWM）產(chǎn)生的兩路控制信號占空比D必須小于50%。當(dāng)U_A和U_B都為低電平，即兩組功率開關(guān)管VT₁、VT₄和VT₂、VT₃同時(shí)關(guān)斷（即S₁~S₄同時(shí)斷開）時(shí)，初級繞組N_P沒有電流通過。此時(shí)，高頻變壓器T的次級一側(cè)電流路徑與推挽式變換器相同。讀者可以參考圖2-6-4及相關(guān)內(nèi)容。

全橋式DC/DC變換器的電壓及電流波形如圖2-8-4所示。U_A和U_B分別為兩組功率開關(guān)管VT₁、VT₄和VT₂、VT₃的控制信號，控制信號為高電平（t_ONA和t_ONB階段）時(shí)，相應(yīng)功率開關(guān)管導(dǎo)通，其他時(shí)刻相應(yīng)功率開關(guān)管關(guān)斷。其中，圖2-8-4（a）示出了高頻變壓器初級側(cè)的電壓及電流波形，U_E1（U_C2）為功率開關(guān)管VT₁發(fā)射極，也是VT₂集電極的電壓波形。U_E3（U_C4）為功率開關(guān)管VT₃發(fā)射極，也是VT₄集電極的電壓波形。I_P1和I_P2分別為高頻變壓器初級繞組N_P的正向和反向電流波形，也是功率開關(guān)管VT₁、VT₄和VT₂、VT₃的集電極電流波形；圖2-8-4（b）示出了高頻變壓器次級側(cè)的電壓及電流波形，U_D1和U_D2分別為輸出整流二極管VD₁和VD₂正極（陽極）的電壓波形，I_S1和I_S2分別為高頻變壓器次級繞組N_S1和N_S2的電流波形，即整流二極管VD₁和VD₂的正向電流波形。

全橋式DC/DC變換器具備半橋式和推挽式變換器的全部優(yōu)點(diǎn)，但是電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，成本也是最高的。在各種DC/DC變換器中，以全橋式DC/DC變換器的輸出功率最大，它適合構(gòu)成輸出功率為1~3kW的大功率隔離式開關(guān)電源。全橋式DC/DC變換器的主要特點(diǎn)如下。

① 輸出電壓U_O與U_I的關(guān)系為：U_O=2D（N_S/N_P）U_I（和推挽式相同）。

② 功率開關(guān)管VT承受的最大電壓U_CE=U_I（和半橋式相同）。

③ 功率開關(guān)管VT的最大集電極電流I_C=（N_S/N_P）I_O。

④ 整流二極管的平均電流I_F=I_O/2。

⑤ 整流二極管的承受反向電壓U_R=2（N_S/N_P）U_I（和推挽式相同）。

⑥ 推挽式變換器必須在輸出整流二極管與濾波電容之間串聯(lián)濾波電感。

⑦ 只要增加次級繞組數(shù)，就可組成多路輸出式DC/DC變換器，并且輸出電壓的極性可以和輸入電壓的極性相反。