全桥式变压器开关电源参数计算
——陶显芳老师谈开关电源原理与设计
品慧电子讯全桥式变压器开关电源的工作原理与推挽式变压器开关电源的工作原理是非常接近的，只是变压器的激励方式与工作电源的接入方式有点不同，在学习了推挽式变压器开关电源参数计算后我们再来看看全桥式变压器开关电源参数计算以及全桥式变压器开关电源又有什么优缺点吧。
1-8-3-3．全桥式开关电源储能滤波电感、电容参数的计算
全桥式开关电源储能滤波电感、电容参数的计算主要是针对如图1-49 输出电压可调的全桥式变压器开关电源中的储能滤波电感、电容参数选择进行计算。实际上，图1-49 输出电压可调的全桥式变压器开关电源中的储能滤波电感、电容参数选择方法，与图1-33 输出电压可调的推挽式变压器开关电源的储能滤波电感、电容参数选择方法是基本相同的，因此，这里只列出计算储能滤波电感、电容参数的公式，对于详细分析请参考《1-8-1-3．推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算》章节的内容。
A）全桥式开关电源储能滤波电感参数的计算
根据前面分析，以及由图1-35 可以看出，输出电压可调的推挽式变压器开关电源的两个控制开关K1、K2 的占空比必须小于0.5，开关电源电源才能正常工作；当要求输出电压可调范围为最大时，占空比最好取值为0.25。此分析结果对于全桥式开关电源同样有效。
当两个控制开关K1、K2 的占空比取值均为0.25 时，输出电压可调的推挽式变压器开关电源中的储能滤波电感L 以及输出电压Uo 的计算由（1-144）和（1-145）式决定，即：
（1-144）和（1-145）式既是计算输出电压可调的推挽式变压器开关电源储能滤波电感和滤波输出电压的表达式（D 为0.25 时），也是计算输出电压可调的全桥式变压器开关电源储能滤波电感和滤波输出电压的表达式（D 为0.25 时）。式中：Ui 为全桥式变压器开关电源输入电压，Uo为全桥式变压器开关电源的输出电压，T 为控制开关的工作周期，F 为控制开关的工作频率，n 为开关电源次级线圈N2 绕组与初级线圈N1 绕组的匝数比。
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- 第一页：全桥式变压器开关电源参数计算（一）
- 第二页：全桥式变压器开关电源参数计算（二）
- 第三页：全桥式变压器开关电源参数计算（三）
- 第四页：全桥式变压器开关电源参数计算（四）
- 第五页：全桥式变压器开关电源参数计算（五）
上面（1-144）和（1-145）式的计算结果，只给出了计算输出电压可调的全桥式变压器开关电源储能滤波电感L 的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1 的系数。
B）全桥式开关电源储能滤波电容参数的计算
根据前面分析，以及由图1-35 可以看出，当两个控制开关K1、K2 的占空比取值均为0.25 时，输出电压可调的推挽式变压器开关电源中的储能滤波电容C 参数的计算由（1-149）式决定，即：
（1-149）式中：Io 是流过负载的电流，T 为控制开关K1 和K2 的工作周期，ΔUP-P 为输出电压的波纹电压。波纹电压ΔUP-P 一般都取峰-峰值，所以波纹电压正好等于电容器充电或放电时的电压增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc
（1-149）式，虽然是计算输出电压可调的推挽式变压器开关电源储能滤波电容的公式（D = 0.25时），但对于输出电压可调的全桥式变压器开关电源中的储能滤波电容的计算同样有效。
同理，（1-149）式的计算结果，只给出了计算全桥式变压器开关电源储能滤波电容C 的中间值或平均值，即控制开关工作于占空比D 为0.25 时的情况，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1 的系数。
1-8-3-4．全桥式开关变压器参数的计算
全桥式变压器开关电源的工作原理与推挽式变压器开关电源的工作原理是非常接近的，只是变压器的激励方式与工作电源的接入方式有点不同；因此，用于计算推挽式变压器开关变压器初级线圈N1 绕组匝数的数学表达式，同样可以用于全桥式变压器开关变压器初级线圈N1 绕组匝数的计算。
A）全式开关变压器初级线圈匝数的计算
全桥式变压器开关电源与推挽式开关电源一样，也属于双激式开关电源，因此用于全桥式开关电源的变压器铁心的磁感应强度B，可从负的最大值-Bm，变化到正的最大值+Bm，并且变压器铁心可以不用留气隙。全桥式开关变压器的计算方法与前面推挽式开关变压器的计算方法基本相同，根据推挽式开关变压器初级线圈匝数计算公式（1-150）和（1-151）式：
上面（1-150）和（1-151）式，虽然是用来计算推挽式变压器开关变压器初级线圈N1 绕组匝数的公式，但对于全桥式变压器开关变压器初级线圈匝数的计算同样有效。
（1-150）和（1-151）式中，N1 为变压器初级线圈N1 绕组的最少匝数，S 为变压器铁心的导磁面积（单位：平方厘米），Bm 为变压器铁心的最大磁感应强度（单位：高斯）；Ui 为开关电源的工作电压，即加到变压器初级线圈N1 绕组两端的电压，单位为伏；τ = Ton，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度（单位：秒）；
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F 为工作频率，单位为赫芝，一般双激式开关变压器工作于正、反激输出的情况下，其伏秒容量必须相等，因此，可以直接用工作频率来计算变压器初级线圈N1 绕组的匝数；F 和τ 取值要预留20%左右的余量。式中的指数是统一单位用的，选用不同单位，指数的值也不一样，这里选用CGS 单位制，即：长度为厘米（cm），磁感应强度为高斯（Gs），磁通单位为麦克斯韦（Mx）。
B）交流输出全桥式开关变压器初、次级线圈匝数比的计算
全桥式变压器开关电源如果用于DC/AC 或AC/AC 逆变电源，即把直流逆变成交流，或把交流整流成直流后再逆变成交流，这种逆变电源一般输出电压都不需要调整，工作效率很高。请参考图1-47。
用于逆变的全桥式变压器开关电源一般输出电压uo 都是占空比等于0.5 的方波，由于方波的波形系数（有效值与半波平均值之比）等于1，因此，方波的有效值Uo 与半波平均值Upa 相等，并且方波的幅值Up 与半波平均值Upa 也相等。所以，只要知道输出电压的半波平均值就可以知道有效值，再根据半波平均值，就可以求得半桥式开关变压器初、次级线圈匝数比。
根据前面分析，全桥式变压器开关电源的输出电压uo，主要由开关变压器次级线圈输出的正激电压来决定。因此，根据（1-182）、（1-183）式就可以出全桥式变压器开关电源的输出电压的半波平均值。由此求得全桥式逆变开关变压器初、次级线圈匝数比：
（1-188）式就是计算全桥式逆变开关变压器初、次级线圈匝数比的公式。式中，N1 为变压器初级线圈N1 绕组的匝数，N2 为变压器次级线圈的匝数，Uo 输出电压的有效值，或平均值，Ui 为直流输入电压，Upa 输出电压的半波平均值。
（1-188）式还没有考虑变压器的工作效率，当把变压器的工作效率也考虑进去时，最好在（1-188）式的右边乘以一个略大于1 的系数。
C）直流输出电压非调整式全桥开关变压器初、次级线圈匝数比的计算
直流输出电压非调整式全桥开关电源，就是在DC/AC 逆变电源的交流输出电路后面再接一级整流滤波电路，请参考1-48。这种直流输出电压非调整式全桥开关电源的两组控制开关K1 和K4、K2 和K3 的占空比与DC/AC 逆变电源一样，一般都是0.5，整流输出电压的有效值Uo 与半波平均值Upa 基本相等。因此，直流输出电压非调整式全桥开关变压器初、次级线圈匝数比可直接利用（1-188）式来计算。即：
同样，在低电压、大电流输出的情况下，一定要考虑变压器的工作效率以及整流二极管的电压降和4 个开关器件接通时的电压降。
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D）直流输出电压可调整式全桥开关变压器初、次级线圈匝数比的计算
直流输出电压可调整式全桥开关电源的功能就要求输出电压可调，因此，全桥式变压器开关电源的两组控制开关K1、K4 和K2、K3 的占空比必须要小于0.5；因为全桥式变压器开关电源正反激两种状态都有电压输出，所以在同样输出电压（平均值）的情况下，两组控制开关K1、K4 和K2、K3 的占空比相当于要小一倍。当要求输出电压可调范围为最大时，占空比最好取值为0.25。
根据（1-140）和（1-145）式可求得：
（1-189）（1-190）式就是计算直流输出电压可调整式全桥开关变压器初、次级线圈匝数比公式。式中，N1 为变压器初级线圈的最少匝数，N2 为变压器次级线圈的匝数，Uo 为直流输出电压，Ui 为开关电源的工作电压。
1-8-3-5．全桥式变压器开关电源的优缺点
全桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两组开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，全桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，其输出电压的电压脉动系数Sv 和电流脉动系数Si 都很小，仅需要一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感，就可以得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压。
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全桥式变压器开关电源最大的优点是，对4 个开关器件的耐压要求比推挽式变压器开关电源对两个开关器件的耐压要求可以降低一半。因为，全桥式变压器开关电源4 个开关器件分成两组，工作时2 个开关器件互相串联，关断时，每个开关器件所承受的电压，只有单个开关器件所承受电压的一半。其最高耐压等于工作电压与反电动势之和的一半，这个结果正好是推挽式变压器开关电源两个开关器件耐压的一半。
全桥式变压器开关电源主要用于输入电压比较高的场合，在输入电压很高的情况下，采用全桥式变压器开关电源，其输出功率要比半桥式变压器开关电源的输出功率大很多。因此，一般电网电压为交流220 伏供电的大功率开关电源大部分都是使用全桥式变压器开关电源。而在输入电压较低的情况下，推挽式变压器开关电源的输出功率又要比全桥式变压器开关电源的输出功率大很多。
全桥式变压器开关电源的电源利用率比推挽式变压器开关电源的电源利用率低一些，因为2 组开关器件互相串联，两个开关器件接通时总的电压降要比单个开关器件接通时的电压降大一倍；但比半桥式变压器开关电源的电源利用率高很多。因此，全桥式变压器开关电源也可以用于工作电源电压比较低的场合。
与半桥式开关电源一样，全桥式变压器开关电源的变压器初级线圈只需要一个绕组，这也是它的优点，这对小功率开关变压器的线圈绕制多少带来一些方便。但对于大功率开关变压器的线圈绕制没有优势，因为，大功率开关变压器的线圈需要用多股线来绕。
全桥式变压器开关电源的缺点主要是功率损耗比较较大，因此，全桥式变压器开关电源不适宜用于工作电压较低的场合，否则工作效率会很低。另外，全桥式变压器开关电源中的4 个开关器件连接没有公共地，与驱动信号连接比较麻烦。
全桥式开关电源最大的缺点是，当两组控制开关K1、K4 和K2、K3 处于交替转换工作状态的时候，4 个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域，即两组控制开关同时处于接通状态。
这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡的过程；而开关器件从导通状态转换到截止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡的过程。
当两组开关器件分别处于导通和截止过渡过程时，即两组开关器件都处于半导通状态时，相当于两组控制开关同时接通，它们会造成对电源电压产生短路；此时，在4 个控制开关的串联回路中将出现很大的电流，而这个电流并没有通过变压器负载。因此，在4 个控制开关K1、K4 和K2、K3 同时处于过渡过程期间，4 个开关器件将会产生很大的功率损耗。为了降低控制开关过渡过程产生的损耗，一般在全桥式开关电源电路中，都有意让两组控制开关的接通和截止时间错开一小段时间。
