第三章07-半桥和全桥直流变换器
半桥和全桥磁芯_解释说明以及概述
半桥和全桥磁芯解释说明以及概述1. 引言1.1 概述:在现代电力转换领域中，桥式变换器是一种常见的拓扑结构。
在桥式变换器中，磁芯起着至关重要的作用。
磁芯材料的选择对于变换器的性能和效率具有重要影响。
本文将讨论半桥和全桥磁芯两种主要类型，并比较它们在桥式变换器中的应用、优缺点以及选择时的考虑因素。
1.2 文章结构:本文共分为五个部分。
引言部分（第一部分）将介绍文章的目的和概述。
随后，第二和第三部分将详细介绍半桥磁芯和全桥磁芯的定义、原理以及特点与应用。
接下来，第四部分将比较两种磁芯在桥式变换器中的差异与影响，并给出选择建议。
最后，结论部分（第五部分）将总结文章内容并提供进一步展望。
1.3 目的:本文旨在深入了解半桥和全桥磁芯，在描述其定义、原理以及特点与应用方面进行详尽解释。
通过对两种类型磁芯的优缺点分析和比较，我们将帮助读者更好地理解桥式变换器中磁芯选择的重要性，并提供合适的选择建议。
此外，本文还将讨论桥式变换器的工作原理和电路拓扑分析，以便读者对半桥和全桥磁芯在实际应用中的差异具有更清晰的认识。
2. 半桥磁芯2.1 定义和原理半桥磁芯是一种用于电力变换器的重要元件，用于转换电能并实现功率调节。
它由两个互补的开关管组成，常见的是MOSFET或IGBT。
这两个开关管分别被连接到能量源和输出负载之间的中点处。
当一个开关管导通时，另一个开关管会关闭。
在半桥磁芯中，输入能量通过输入电容器被存储，并通过控制其中一个开关管的导通时间来传递给输出负载。
控制导通时间可以调整输出功率。
2.2 特点和应用半桥磁芯具有以下特点：- 简单而紧凑：与全桥相比，半桥磁芯只需要两个开关管，因此结构更加简单、紧凑。
- 成本较低：由于组件数量较少，制造成本相对较低。
半桥磁芯广泛应用于各种电力变换器中，如无线充电设备、交流变直流供电适配器、马达控制等领域。
它们可以将输入直流电源转换为所需的交流输出，并且具有较高效率和良好的电路控制性能。
推挽全桥半桥变换器
Switching Power Supply Techniques
1
第三章 开关电源基本拓扑结构
一、拓扑结构分类
二、基本分析方法
三、开关电源基本拓扑
2
隔离型拓扑结构
推挽变换器
Push-pull Converter
3
推挽变换器
基本电路
特点： 1、变压器磁芯双边磁 化磁芯，磁芯利用率高， 变压器体积可减理
* *
9
全桥变换器
偏磁问题
铁心偏磁是由于加在电感或变压器线圈的 正、反两个方向的V - s 面积不等所造成的。 当电感或变压器线圈加以交变电压时, 铁 心内磁链满足的方程
如果u 是对称方波, 磁链是对称锯齿波。 正、负半周磁链的变化量分别为
如果u 的幅度或宽度受到扰动, 造成正、 反两方向V - s 面积不等, 即Δψ+≠Δψ- ， 磁密的摆动范围就会产生漂移。
14
半桥变换器
基本工作原理
BS Bm
-Im(max) Im(max)
B = 2Bm
-Bm
15
半桥变换器
考虑变压器漏感时的工作原理
BS
Bm
-Im(max) Im(max)
B = 2Bm
-Bm
16
开关电源基本拓扑
五种变换器的比较
17
五种变换器的比较
电路 优点 电路较简单，成本 低，可靠性高，驱 动电路简单 缺点
4
推挽变换器
基本工作原理
1. 有续流二极管时
5
推挽变换器
2. 无续流二极管时
6
隔离型拓扑结构
全桥变换器
Full-bridge Converter
电力电子第3章 思考题与习题答案
频率（周期 T）一定，调节脉冲宽度 ton，ton 值在 0~T 之间变化，负载电压在 0~E 之间变化。 2）脉冲频率控制（Pulse Frequency Modulation），也称 PFM。此方式脉冲宽度 ton 一定，
T
0 uL1dt =
ton 0
uL1dt
+TLeabharlann ton uL1dt = 0
ò ò ò 对电感 L2 有：
T
0 uL2dt =
ton 0
u L 2 dt
+
T
ton uL2dt = 0
则有： Eton + U tC1 off = 0
(E - Uo - UC1)ton + (-UO )toff = 0
得：U o
当开关器件 V4 始终导通，开关器件 V3 始终关断，此时电路同图 310a）等效，控制 V1 和 V2 的导通，输出电压 uo>0，电路向电动机提供正电压，电路工作在第一和第二象限，电 动机工作在正转电动和正转再生制动状态。
当开关器件 V2 始终导通，开关器件 V1 始终关断。控制 V3 和 V4 的导通，输出电压 uo<0 电路向电动机提供负电压，电路工作在第三和第四象限。此时，开关器件 V4 截止，控制 V3 通、断转换，则 uo<0，io<0，电路工作在第三象限，转速 n<0，电磁转矩 T<0，电动机工作 在反转电动状态；开关器件 V3 截止，控制 V4 通、断转换，则 uo<0，io>0，电路工作在第四 象限，转速 n<0，电磁转矩 T>0，电动机工作在反转再生制动状态。
六种基本DCDC变换器拓扑结构总结
六种基本DC/DC变换器拓扑，依次为buck,boost,buck-boost,cuk,zeta,sepic变换器半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑。
半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决。
半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制。
正激变换器绕组复位正激变换器LCD复位正激变换器RCD复位正激变换器有源钳位正激变换器双管正激吸收双正激有源钳位双正激原边钳位双正激软开关双正激推挽变换器无损吸收推挽变换器推挽变换器:推挽变换器是双端变换器.其实是两个正激变换器通过变压器耦合而来,基本推挽变换器好处是驱动不需隔离,变压器双端磁化,只要两个开关管.但是,变压器绕组利用率低,开关管电压应力为输入两倍,所以一般只适合低压输入的场合.而且有个问题就是会出现偏磁,所以要采用电流型控制等方法来避免.如果将两个双管正激同样耦合,可以构成四开关管的推挽变换器,也就是所谓的双双管正激.其管子电压应力下降为输入电压.其他等同.推挽正激是最近出现的一种新拓扑,通过一个电容来解决变换器漏感尖峰,偏磁等问题.在VRM中有应用.半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑.半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决.半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制.全桥变换器全桥变换器在大功率场合是最常用了,特别是移项ZVS和ZVZCS 接下去,会收集一些三电平变换器贴出来,在以后就给出boost族的隔离变换器....反激变换器.....正反激变换器......APFC.....PPFC.... 单级PFC.....谐振变换器等.....三电平变换器(three level converter)选了看起来比较舒服的两个拓扑,这些三电平是半桥演化而来,同样可以演化出多电平变换器,合适高压输入场合.而且可以通过全桥的移相控制方式实现软开关.。
第三章 功率转换电路
3.3 半桥式功率转换电路
工作过程:
• 当两个开关管BG1和 BG2都截止时，电容C01， C02中点A的电压为E/2。
• 当BG1导通时，C02充 电，C01放电，中点A电 位在BG1导通终了，将下 降E/2-△E。
3.3 半桥式功率转换电路
• 当BG2导通，C01 充 电， C02放电，中点A 电位在BG2导通终了增 至 E/2+△E。
补充三 高频变压器的磁化曲线
磁路：由铁心形成而使磁通集中通过的回路叫磁 路。
铁心中的磁通 称主磁通。
少量磁通通过空气也会构成回路称漏磁通。
漏
主磁通
漏
磁
磁
通
通
变压器的磁路
补充三 高频变压器的磁化曲线
由于 特斯拉单位太大，通常多用mT表示，1T=100 0mT。有时也用高斯（Gs）表示，1T=104 Gs。
补充三 高频变压器的磁化曲线
磁通:磁感应强度B在面积S上的通量积分称为磁
通。单位：韦伯Wb
B dS
S
如果是均匀磁场，即磁场内各点磁感应强度的大小和方
向均相同，且与面积S垂直，则该面积上的磁通为
• 硬磁(永磁)材料：磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大 的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。 • 永磁材料磁性能指标： 剩磁 矫顽力 最大磁能积(BH) max
补充三 高频变压器的磁化曲线
磁感应强度B 是表示磁场空间某点的磁场强弱和方 向的物理量，是矢量。 大小：磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 （磁力线）。单位：特斯拉T或Wb/m2
基本磁化曲线在开关电源变压器磁心被磁场极化时 才会出现，因此该曲线也被称为初始磁化曲线。当 变压器正常工作之后，这种初始状态就不存在了。
开关电源：单管自激,反激,推挽,半桥,全桥
图 2.4 单端正激式开关电源
单端反激式开关电源 反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励 时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的 激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式 开关电源。反激式开关电源是在反极性（Buck—Boost）变换器的基础上演 变而来的，它具有以下优点： 比正激式开关电源少用一个大储能滤波电感及一个续流二极管，因此，体积 比正激式开关电源的要小，且成本也要低。
C18 Q5 C1815 22u50V
+
D17 R21 1N4148 12k
R27 1.5k
HW.79 94V-0
S-100N-R5
2000-11-21
+
C17 1u50V
MW
S-100-24 IN 110VAC 1.9A IN 220VAC 0.8A OUT 24VDC 4.5A
TL494 管脚功能及参数
+
R3 100R 2W 102 1kV FMX 1
C2
+V +V
1k 2W
C1 +
SCK054
TF-096
C3
D3S B-60 -0.5
N C10 4.7u50V T2 D7 R6 T028 15R
3A250V R13 580k 1/2W RT C6 220u 200V 470u 35V x5
开关电源：单管自激，反激，推挽，半桥，全桥
单端正激式开关电源 正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正被直流电压激励 时，变压器的次级线圈正好有功率输出。它是在 BUCK 电路的开关管 Q 与续 流二极管 D 之间加入单端变压隔离器而得到的。它具有以下优点： 1) 正激变换器利用高频变压器的一次侧、二次侧绕组隔离的特点，可以方 便的实现交流电网和直流输出之间的隔离。 2) 正激变换器电路简单，成本很低，能方便的实现多路输出。 3) 正激变换器只有一个开关管，只需一组驱动脉冲；其对控制电路的要求 比双端变换器低。
【必看！】半桥LLC谐振DC-DC变换器工作原理详解
【必看！】半桥LLC谐振DC-DC变换器⼯作原理详解2019作为⼀种被⼴泛应⽤在汽车交通、⼯业控制等领域的重要元件，⽬前DC-DC变换器已经发展出了多种不同的种类，其中，LLC谐振DC-DC变换器的应⽤范围⼗分⼴泛。
本⽂将会就该种类型的DC-DC变换器⼯作原理进⾏详细介绍，希望能够对各位新⼈⼯程技术⼈员的设计⼯作提供⼀些帮助。
在实际的应⽤过程中，相信很多⼯程师对于半桥LLC谐振DC-DC变换器都不会陌⽣。
这种变换器除了具有应⽤范围⾮常⼴泛之外，还具有输出功率⾼、转换效率⾼等显著特点，其主电路结构如下图图1所⽰。
LLC谐振变换器⼀般包括三部分：⽅波产⽣电路、谐振⽹络和输出电路。
图1 半桥LLC谐振变换器的主电路结构通常情况下，在变换器的设计和应⽤过程中，⽅波产⽣电路可以是半桥或全桥结构，这主要是根据功率需求来进⾏选择。
通过⾼低端开关管的交替导通，将直流输⼊转换为⽅波。
当然，为防⽌它们同时导通，LLC谐振控制器普遍会在⾼低端开关管的驱动信号之间插⼊固定或可调的死区时间。
LLC谐振DC-DC变换器的谐振⽹络由三个谐振原件构成，分别为谐振电容Cs，谐振电感Ls和激磁电感Lm。
从图1所给出的半桥LLC谐振DC-DC变换器的主电路结构图中可以看出，该电路系统由以下元件构成：两个功率MOSFETQ1、Q2，Q1和Q2的占空⽐都是0.5，采⽤固定死区的互补调频控制⽅式来进⾏控制。
图1还中分别给出了Q1和Q2的半导体⼆极管和寄⽣电容、谐振电容Cs、理想变压器、并联谐振电感Lm、串联谐振电感Ls、全桥整流⼆极管（D1、D2、D3、D4）、输出电容C0和负载R0。
在图1所⽰的半桥谐振变换器主电路系统中，当⽅波馈⼊谐振⽹络后，电流波形和电压波形将产⽣相位差。
开关损耗为流过开关管的电流与其源漏极两端的电压乘积。
此时，由于Q1、Q2在电流流过半导体⼆极管时开启，开启电压很低，所以损耗很⼩。
LLC谐振变换器电路有两个谐振频率，⼀个是谐振电感Ls和谐振电容Cs的谐振频率，⼀个是Lm加上Ls与Cs的谐振频率，即：在上⽂所提供的两个公式中，所求得的参数fr1为Cs与Ls的谐振频率，参数fr2为Cs、Ls和Lm 的谐振频率，很显然，参数fr1>fr2。
第3章 直流-直流变换电路2
✓ 带隔离变压器的直流变换器都是由基本的直流斩波器派生 而来。由降压斩波器派生出正激变换器、半桥变换器、全 桥变换器等，由升降压斩波器派生出反激变换器。
✓ 带隔离变压器的直流变换器分为单端和双端电路两大类。 在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端 电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流。
3.1 直接DC/DC变换电路
3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路 3.1.4 Cuk斩波电路 3.1.5 Sepic斩波电路 3.1.6 Zeta斩波电路 3.1.7 复合斩波电路和多相多重斩波电路
3.1.1 降压斩波电路
3.1.2 升压斩波电路
3.1.7 复合斩波电路和多相多重斩波电路
图 8-21 半桥电路原理图
流电压ud的平均值，也就改变了输
S1 ton
O
t
出电压Uo。
S2
O
T
t
S1导通时，二极管VD1处于通态，
uS1
Ui
S2导通时，二极管VD2处于通态;
uSO2
t
Ui
当两个开关都关断时，变压器绕组
O
t
N1中的电流为零，VD1和VD2都处于 iS1
通态，各分担一半的电流。
O
iS2
3.2.1 正激电路
1）正激电路的工作过程
开关S开通后，变压器绕组W1两 Ud 端的电压为上正下负，与其耦合
的W2绕组两端的电压也是上正
单开关正激电路的原理图
下负。因此VD1处于通态，VD2
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C3的作用:隔直流,通交流
i L iVD 3
直线增加，变压器初级电流ip=ic1使c1放电
C1 C 2 很大，电压变化很小，故A点电位几乎不变
VT1
VD1
VD3
uL
L
' u0
I0
uVT
R1
C1 C3
Np up
ui
up
ui
ui
2
us1
Ns1
C
RL u0
t on1
ui
2
t1
t on2
t2
ui
R2
t
t on1
t1
t on2
t2
t
VT1
VD1
VD3
uL
L
' u0
I0
R1
C1 C3
Np up
us1
Ns1
C
RL u0
uVT
ui
2
ui
R2
A C2
ui t1
us2
Ns2
VD2 VD4
t2期间电路图
VT2
up
t on1
ui
2
t on2
t2
t
ui
u
' 0
2
us1( )
u s 2( )
u0
4. t2期间
up
ui
t on1
ui
2
t1
t on2
t2
t
ui
3. ton2期：
VT2导通，VT1截止
u
' 0
2
us1( )
u s 2( )
u0
iVD3
u p( )
1 uc 2 u i 2
方向： “.”为负
iVD4
t on1
t1
t on2
t2
t
VD4导通，VD3截止，电源对电感和负载供电
iL
I0
t on1 t on2
t off 1 t off 2
t on2
VT1
VD1
VD3
uL
L
' u0
I0
uVT
R1
C1 C3
Np up
us1
Ns1
ui
up
ui
ui
2
C
RL u0
t on1
ui
2
t1
t on2
t2
t
ui
R2
A C2
us2
Ns2
VD2 VD4
ui
t
ton1期间电路图
VT2
' u0 us1( )
iVD4
t on1
t1
t on2
t2
t
iL
I0
t
t on1
t1
t on2
t2
t
VT1
VD1
VD3
uL
L
' u0
I0
R1
C1 A C3
Np up
us1
Ns1
C
RL u0
ui
R2
us2
C2
VT2 VD2
Ns2
VD4
uVT
ui
2
ui t1
三、输入输出电压的关系：
up
t on1
ui
2
t on2
t2
t
u0 u0'
RL u0
VT2和VT3导通，VT1和VT4 截止。
ton23期间电路图
4、在t2期间：
VT3 VT1 VD3
uL
L
' u0
VT1、VT4、VT2和VT3截止
C2
C1
ui
VT4 VT2 VD4
RL u0
。
t2期间电路图
问题：1、输出输入电压的关系式？ 2、4个晶体管的所承受的电压波形？ 3、阻尼二极管的作用？
ui
VT4 VT2
C2
RL u0
VT1和VT4是同时导通，同时截止， VT2和VT3是同时导通，同时截止的。
T
t on14
t1
t on23
t2
T ton14 t1 ton 23 t 2
VT3 VT1
VD3
uL
L
1、在ton14期间：
C2
C1
ui
VT4 VT2 VD4
u
' 0
RL u0
C
RL u0
ui
R2
us2
C2
VT2 VD2
Ns2
VD4
uVT
ui
2
ui t1
在ton1期间：uVT1=0—1之间 在t1期间：uVT1=ui/2 在ton2期间：uVT1=ui
up
t on1
ui
2
t on2
t2
t
ui
t
' u0 us1( )
2
u s 2( )
u0
t
iVD3
在t2期间：uVT1=ui/2
A C2
ui
us2
Ns2
VD2 VD4
u
t1期间电路图
' 0
2
us1( )
u s 2( )
u0
VT2
iVD3
2. t1期：
VT1，VT2截止，VD3、VD4成为续流二极管 激磁电能从两个路径流走： （1） VD4到负载 （2） 将能量回馈回电源
iVD4
t on1
t1
t on2
t2
iL
t on1
2
u s 2( )
u0
t
iVD3
一、基本原理
1. ton1期：
iVD4
t on1
t1
t on2
t2
t
u p( )
u s 1( )
1 uc1 ui 2
N s1 u N s1 u p( ) i Np 2N p
iL
I0
t
t on1
t1
t on2
t2
t
VD3导通，VD4截止，电源对负载和电感供电，
VT1和VT4导通，VT2和VT3 截止。
ton14期间电路图
2、在t1期间：
VT3 VT1 VD3
uL
L
' u0
VT1、VT4、VT2和VT3截止
C2
C1
ui
VT4 VT2 VD4
RL u0
。
t1期间电路图
VT3 VT1
VD3
uL
L
3、在ton23期间：
C2
C1
ui
VT4 VT2 VD4
u
' 0
VT1，VT2截止，VD3、VD4成为续流 二极管，电感向负载供电
iVD3
iVD4
t on1
t1
t on2
t2
t
电容C3的作用:隔直流,通高频.
小的电容值.
iL
I0
t
t on1
t1
t on2
t2
t
VT1
VD1
VD3
uL
L
' u0
I0
R1
C1 A C3
Np up
us1
Ns1
二、VT1和VT2的受压波形
t2
t
iL
I0
t
t on1
t1
t on2
t2
t
VT1
VD1
VD3
uL
L
I0
R1
C1 A C3
Np
us1
up Ns1
u
' 0
C
RL u0
ui
R2
us2
C2
VT2 VD2
Ns2
VD4
四、特点：
（1）晶体管所受最大电压比推免式的晶体管小一半 （2）在半桥式中，高频变压器的电压幅值只有输入电 源电压的一半，与推免式变换器电路相比，要输出相同 的功率，开关晶体管必须流过两倍的电流，导通损耗大
us2
C2
VT2 VD2
Ns2
VD4
C 1 C 2,
uc1 uc 2
R1 R 2,
1 ui 2
N s1 N s 2
T ton1 t1 ton2 t 2
t on1 t on1
t1
t on2
t off 1
t2
Ls1 Ls 2
t1 t 2
每个VT的ton小于0.5T
问题：1、晶体管的受压波形？ 2、二极管VD1和VD2的作用（阻尼二极管）？
2、二极管VD1和VD2的作用（阻尼二极管）？ 答：有两个作用：a、在 t 1和 t 2 期间将变压器的能量回馈回 电源
b、把开关管截止时所承受的最大耐压嵌入为输
入电压的大小
全桥式变换器电路
VT3 VT1
uL
L
' u0
C1
第三章
直流变换器
在隔离式直流变换器中,高频变压器次级端后面的高频 整流可以是半波整流、全波整流、也可是桥式整流。
第四节 晶体管半桥式直流变换器
VT1 VD1 VD3
第三章 直流变换器
uL
L
' u0
I0
R1
C1 A C3
Np
us1
up Ns1
C
RL u0
ui
R2
半桥：四桥臂中只有两个桥臂采用了开关 晶体管VT1，VT2，故称半桥。另外两个 桥臂是C1，C2，用来分压，通交流，隔 直流，电源滤波的作用。