半橋功率變換電路原理,半橋變換器原理-KIA MOS管

半橋功率變換電路原理

半橋變換器的原理是通過兩個功率開關(guān)管的交替導(dǎo)通與關(guān)斷，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓，再經(jīng)變壓器隔離和整流濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓。

工作原理

半橋電路由兩個功率開關(guān)管（通常標(biāo)記為S1和S2）、兩個串聯(lián)的輸入電容（C1和C2）以及一個變壓器或電感負(fù)載組成。兩個開關(guān)管的連接點(diǎn)作為輸出端，連接到負(fù)載。輸入電容將直流輸入電壓（Vin）平均分為兩部分，每個電容承受Vin/2的電壓應(yīng)力。

1.S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷：此時，輸入電容C1通過S1向變壓器原邊或負(fù)載提供能量，電流從C1正極經(jīng)S1流向負(fù)載，再通過地返回C1負(fù)極。此時，變壓器原邊電壓為+Vin/2。

2.S1與S2均關(guān)斷（死區(qū)時間）：為避免上下管直通短路，兩個開關(guān)管會存在短暫的共同關(guān)斷時間。在此期間，負(fù)載電流通過續(xù)流二極管（或開關(guān)管的體二極管）續(xù)流，維持電流連續(xù)性。

3.S2導(dǎo)通、S1關(guān)斷：此時，輸入電容C2通過S2向負(fù)載提供能量，電流從C2正極經(jīng)S2流向負(fù)載，再通過地返回C2負(fù)極。此時，變壓器原邊電壓為-Vin/2。

4.重復(fù)循環(huán)：S1和S2交替導(dǎo)通，使負(fù)載兩端獲得一個幅值為Vin/2的方波交流電壓，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比即可控制輸出電壓的平均值。

半橋變換器原理圖

S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷（原邊能量正向傳輸）

當(dāng)PWM信號觸發(fā)S1導(dǎo)通、S2保持關(guān)斷時，原邊形成完整電流回路，變壓器開始傳遞能量，副邊同步整流輸出。

原邊側(cè)：電流從Vi正極流出，經(jīng)導(dǎo)通的S1→變壓器原邊繞組Np→C2（已充至Vi/2）→回到Vi負(fù)極，形成回路。此時原邊繞組兩端電壓為Vnp=Vi/2（由C2分壓提供）。

磁能轉(zhuǎn)換：原邊電流流過Np產(chǎn)生交變磁場，變壓器鐵芯儲存磁能；副邊繞組Ns感應(yīng)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電壓VNs=VNp/n=Vi/(2n)（n=Np/Ns為匝數(shù)比）。

副邊側(cè)：感應(yīng)電壓使D1正向?qū)?、D2反向截止，電流從Ns上端流出→D1→儲能電感Lo（此時Lo充電，電流上升，儲存磁能）→濾波電容Co（補(bǔ)充能量）→負(fù)載→回到Ns中點(diǎn)，完成整流與能量傳輸。

S1關(guān)斷，S2關(guān)斷（能量續(xù)流階段）

當(dāng)S1、S2均關(guān)斷時，原邊回路斷開，變壓器停止傳遞能量，但副邊儲能電感Lo會釋放能量，保證負(fù)載電流連續(xù)（避免電流中斷導(dǎo)致輸出電壓波動）。

原邊側(cè)：S1、S2均關(guān)斷，原邊無電流回路，變壓器磁能停止增加，副邊感應(yīng)電壓消失VNs=0。

副邊續(xù)流：儲能電感Lo因“電流不能突變”，會產(chǎn)生反向電動勢，此時D1、D2均正向?qū)ǎㄏ喈?dāng)于“續(xù)流通道”）。電流從Lo流出→Ns中點(diǎn)分為兩路：一路經(jīng)回到Ns上端→D1;另一路回到Ns下端→經(jīng)D2→兩路電流匯合→回到Lo另一端。

能量釋放：Lo儲存的磁能通過續(xù)流回路釋放，一部分供給負(fù)載，一部分補(bǔ)充Co的能量，維持Vo穩(wěn)定，直到下一個開關(guān)管導(dǎo)通。

S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通（原邊能量反向傳輸）

此工況與“工況1”對稱，是半橋變換器的另一個能量傳輸階段，通過S2導(dǎo)通實現(xiàn)原邊能量傳遞，保證變壓器磁場對稱（防止偏磁）。

原邊側(cè)：電流從V正極流出→經(jīng)C1（已充至Vi/2）→變壓器原邊繞組Np（電流方向與工況1相反)→導(dǎo)通的S2→回到V負(fù)極，形成回路。此時原邊繞組兩端電壓仍為VNp=Vi/2，但極性反向，保證變壓器鐵芯磁場“正向充磁→反向充磁”對稱，避免偏磁飽和。

磁能與副邊：原邊反向電流產(chǎn)生反向磁場，副邊Ns感應(yīng)反向電壓VNs=Vi/(2n)，使D2正向?qū)?、D1截止。電流從Ns下端流出→D2→Lo（繼續(xù)充電，電流上升）→Co→負(fù)載→回到Ns中點(diǎn)，完成又一次能量傳輸。

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