全桥及推挽拓扑分析
全桥及推挽拓扑分析
将（1）式+（2）式，有： (Vin*W2/W1-Vo) *（ton1+ton2)= Vo*(ts1+ts2) 因：T=ton1+ton2+ts1+ts2, D= (ton1+ton2)/T 因MOSFET Q1，Q3与Q2，Q4导通时间对 称，则输出电压有： Vo=Vin*D*W2/W1 每个二极管承受的反向电压为次级线圈W2 的电压： Ur=Vin*W2/W1=Vo/D. 为避免上下臂MOSFET同时导通而造成短路 损坏MOSFET，每个MOSFET的DUTY 不应超过50%，且留有裕量. 三、电路的传输特性(断续模式) 对于断续模式，电路在一个开关周期内相 继经历六个时段，其分别为: 1、 MOSFET Q1，Q3 导通时段(ton1), W2 产生的电能经D2，D4，滤波电容C和R
Push-Pull topology analysis
假若电路在理想工作状态下, 二极管压降忽略，变压器为理想变压器，电感L释放 的能量和储存的能量相同,根据伏特-秒原理,故有: (Vin*W3/W2-Vo) *ton2 =Vo*ts2--------(2) 因W3=W4,W1=W2, ton1=ton2,ts1=ts2，D= (ton1+ton2)/T 将（1）式+（2）式，则有： Vo=Vin*D*W4/W1 若两组MOSFET同时导通,就相当于变压器一次侧线圈短路.为避免两组MOSFET同时导 通而造成短路损坏，每组MOSFET的DUTY不应超过50%，且留有裕量. 三、电路的传输特性(断续模式) 对于断续模式，电路在一个开关周期内相继经历六个时段，其分别为: 1、 MOSFET Q1导通时段(ton1), 二次侧线圈W4上产生的电能经D2,滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长. 2、 MOSFET Q1进入截止状态 ，MOSFET Q2仍处于截止，线圈W1中的电流为零,变压 器次级线圈上的电压也相应为零.电感L通过二极管D1,D2续流时段（ts1),并降到为零. 3、 MOSFET Q1，Q2仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts2)，此时,电容C向R LOAD充电.
反激式正激式推挽式半桥式全桥式开关电源优缺点
反激式正激式推挽式半桥式全桥式开关电源优缺点反激式开关电源是一种常见的开关电源拓扑结构，其工作原理是利用电感储能和电容滤波器来实现电压变换。
以下是反激式、正激式、推挽式、半桥式和全桥式开关电源的优缺点分析。
1.反激式开关电源：优点：-体积小，结构简单，成本较低。
-输出电流大，适用于一些高功率应用。
-效率较高，在负载率低时仍能提供稳定的输出电压。
缺点：-输出电压稳定性较差，容易受到输入电压波动的影响。
-输入电流波形不纯净，含有较高的谐波成分。
-输出电流变化较大时容易产生振荡和噪音。
2.正激式开关电源：优点：-输出电压稳定性较好，能够提供较为纯净的输出电流。
-输出电流较大，适用于一些高负载应用。
-效率较高，在大部分负载条件下都能保持较高的效率。
缺点：-体积较大，结构相对复杂。
-成本较高。
-在负载率低时效率较低。
3.推挽式开关电源：优点：-输出频率较高，适用于一些高频应用。
-输出电压稳定性较好。
-体积相对较小，结构简单。
缺点：-输出电流相对较小。
-效率较低，在大负载条件下会有较大的功率损耗。
-容易受到电容和电感等元器件的损耗影响，导致输出电压不稳定。
4.半桥式开关电源：优点：-输出电压稳定性较好。
-输出电流较大。
-效率较高。
-结构简单，成本相对较低。
缺点：-输入电流波形较复杂，含有较高的谐波成分。
-输出电流较小负载时容易出现振荡。
-适用负载范围较窄。
5.全桥式开关电源：优点：-输出电压稳定性较好。
-输出电流较大。
-效率较高。
-结构简单，成本相对较低。
缺点：-输入电流波形较复杂，含有较高的谐波成分。
-输出电流较小负载时容易出现振荡。
-适用负载范围较窄。
总结：根据以上分析，不同的开关电源拓扑在不同应用场景中具有不同的优缺点。
在选择开关电源时，应根据具体应用需求，综合考虑输出电压稳定性、输出电流、效率、结构复杂性、成本等因素，选择最适合的拓扑结构。
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
全桥,半桥,推挽,正激,反激的优缺点比较及应用场合分析
全桥,半桥,推挽,正激,反激的优缺点比较及应用场合分析优缺点比较一、全桥式开关电源的优点和缺点1、全桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高全桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两组开关器件轮流交替工作，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。
2、全桥式开关电源的优点是开关管的耐压值特别的低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。
3、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，其输出功率要比推挽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。
4、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。
5、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，这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些方便。
电流型推挽全桥拓扑
电流型推挽全桥拓扑电流型推挽全桥拓扑是一种常见的电路结构，被广泛应用于电力电子领域。
它是一种用于控制大功率直流负载的电路拓扑，具有高效率、低损耗和可靠性强的特点。
电流型推挽全桥拓扑由四个开关管和一个直流电源组成。
四个开关管分为两对，每对包含一个上开关管和一个下开关管。
它们通过交替开关控制，实现对直流负载的高效能转换。
在实际应用中，开关管通常是功率MOSFET或IGBT管。
在电流型推挽全桥拓扑中，当上开关管导通时，下开关管必须断开，反之亦然。
这样可以避免两个开关管同时导通而引起短路。
通过适时地控制开关管的导通和断开，可以实现对电流的正负半周期控制，从而控制直流负载的输出电压。
在正半周期中，上开关管导通，下开关管断开。
此时，直流电源的正极连接到直流负载的负极，而直流电源的负极连接到直流负载的正极。
这样，电流从直流电源的正极通过上开关管流入直流负载，形成正向电流。
同时，直流负载的负极电压为电源电压，实现电压升压。
在负半周期中，上开关管断开，下开关管导通。
此时，直流电源的正极连接到直流负载的正极，而直流电源的负极连接到直流负载的负极。
这样，电流从直流负载的正极通过下开关管流回直流电源，形成反向电流。
同时，直流负载的负极电压为电源电压，实现电压降压。
电流型推挽全桥拓扑的工作原理可以通过以下步骤进行简单说明：1. 正半周期：上开关管导通，下开关管断开。
直流负载的负极电压为电源电压，实现电压升压。
2. 负半周期：上开关管断开，下开关管导通。
直流负载的负极电压为电源电压，实现电压降压。
通过适时地切换上下开关管的导通状态，可以实现对直流负载的输出电压进行精确控制。
同时，电流型推挽全桥拓扑具有较低的导通损耗和开关损耗，提高了整个系统的效率。
电流型推挽全桥拓扑在实际应用中具有广泛的用途。
它常用于直流电机驱动、电力转换、电源逆变等领域。
在直流电机驱动中，电流型推挽全桥拓扑可以实现对电机的正反转控制，调节电机的转速和转矩。
新手必学开关电源11种拓扑结构
开关电源11种拓扑结构
BUCK降压
特点 ■把输入降至一个较低的电压。 ■可能是最简单的电路。 ■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。 ■输出总是小于或等于输入。 ■输入电流不连续 (斩波)。 ■输出电流平滑。
BOOST升压
特点 ■把输入升至一个较高的电压。 ■与降压一样，但重新安排了电感、开关和 二极管。 ■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的 正向压降)。 ■输入电流平滑。 ■输出电流不连续 (斩波)。
FULL-BRIDGE全桥
特点 ■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。 ■开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。 ■全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在 FETs上的电压与输入电压相等。 ■在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。
TWO-TRANSI■开关断开时，存储在变压器中的能量使初 级的极性反向，使二极管导通。 ■主要优点： ■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。 ■无需对绕组磁道复位。
PUSH-PULL推挽
特点 ■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM） 以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。
谢谢观看
HALF-BRIDGE半桥
特点 ■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。 ■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优 于推挽电路。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FET上的电压与输入电压相等。
正激类(全桥、半桥、推挽、正激)变压器计算
2、 由电路参数计算以下值: 磁通摆幅： Δ B = 3、 试选磁芯型号： 更多选择 磁芯型号： 类型/厂家： E型/TDK 可输出功率： 20.01115062 EE25.4-Z 27 0.336 T 开通时间： Tonmax = 14 μ s 选择常用磁芯 Ae(cm2) 0.403 AＷ(cm2) 0.425 ｌＷ(cm) 4.94 ｌｅ(mm) 48.7
1.414 A W k W j 原边方波 Idc= 电流峰值 4 DN p Wt(g/对) 10 窗口长(mm)
Ve(cm3)
1963
ｌｅ/Ae(mm-1) 1.208436725
1、变压器原边最小输入电压：Vpmin=NpΔ BAe/Tonmax(电磁感应定律，Np：原边匝数)
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2 正激类（全桥、半桥、推挽、正激）变压器计算 1、 确定电路参数: 电路拓扑： 全桥 半桥 推挽 正激 工作频率： 电流密度： fT = 31.25 kHz j = 4 A/mm2 占 空 比： 预估效率： Dmax = 0.875 η = 0.92 最大磁密： Bmax = 0.168 T 填充系数： kW = 0.4
电源常用拓扑结构特点及波形
电源常用拓扑结构特点及波形基本名词电源常见的拓扑结构■Buck降压■Boost升压■Buck-Boost降压-升压■Flyback反激■Forward正激■Two-Transistor Forward双晶体管正激■Push-Pull推挽■Half Bridge半桥■Full Bridge全桥基本的脉冲宽度调制波形这些拓扑结构都与开关式电路有关。
基本的脉冲宽度调制波形定义如下：1、Buck降压特点■把输入降至一个较低的电压。
■可能是最简单的电路。
■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。
■输出总是小于或等于输入。
■输入电流不连续(斩波)。
■输出电流平滑。
2、Boost升压特点■把输入升至一个较高的电压。
■与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。
■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。
■输入电流平滑。
■输出电流不连续(斩波)。
3、Buck-Boost降压-升压特点■电感、开关和二极管的另一种安排方法。
■结合了降压和升压电路的缺点。
■输入电流不连续(斩波)。
■输出电流也不连续(斩波)。
■输出总是与输入反向(注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。
■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。
4、Flyback反激特点■如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。
■输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。
■输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。
■这是隔离拓扑结构中最简单的■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。
5、Forward正激■降压电路的变压器耦合形式■不连续的输入电流，平滑的■因为采用变压器，输出可以■增加次级绕组和电路可以获■在每个开关周期中必须对变绕组。
■在开关接通阶段存储在初级6、Two-Transistor Fo 特点■两个开关同时工作。
■开关断开时，存储在变压器■主要优点：■每个开关上的电压永远不会■无需对绕组磁道复位。
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流电压逆变为幅值同输入电压相同的
交流电压,加在变压器一次侧线圈W1,
再通过变压器传递能量到二次侧线圈
W2，线圈W2上的交流电压经过四个
3
1
3
1
1
L
3
3
TOROID IRON
MOSFET
D1 D2
1
Q1 MOSFET Q2
MUR860
2
MUR860
Uo
1
1
1 T1 5
3
Q4 MOSFET
2
1
W1 W2
48
TRANSFORMER D4
Q3
3
3
R C Rload
CAPACITOR
D3
MOSFET
3
MUR860 MUR860
1
Full bridge topology analysis
二极管全桥整流为直流电压，直流电压再经电感L和电容C滤波输出。 二、电路的传输特性(连续模式)（设变压器1PIN和5PIN为同名端）
Vo=Vin*D*W4/W1 若两组MOSFET同时导通,就相当于变压器一次侧线圈短路.为避免两组MOSFET同时导
通而造成短路损坏，每组MOSFET的DUTY不应超过50%，且留有裕量. 三、电路的传输特性(断续模式) 对于断续模式，电路在一个开关周期内相继经历六个时段，其分别为: 1、 MOSFET Q1导通时段(ton1), 二次侧线圈W4上产生的电能经D2,滤波电容C和R
因其在工作时一次只有一个MOSFET在工作， 因此其驱动线路相对简单。
Push-Pull电路的输出形式有：1、变压器次
级线圈输出抽头+半桥全波整流（见图示 DC
topology输出形式) 。2、输出无抽头+全
Q1
桥整流(见Full bridge topology 输出形 Vin
式）。
2
Push-Pull电路也存在着两种工作模式,一种为
151 3
W1
W3
26
TOROID IRON
W2 3 7 W4
481 3
1
Q2 TX
D2 MUR860
2
CAPACITOR
3
MOSFET
Push-Pull topology
Uo
R C Rload
Push-Pull topology analysis
电能，在二次侧线圈W3和W4产生相 Q 1 应的电能。
续流时段（ts3),并降到为零.
VQ2
6、MOSFET Q1，Q2仍处于截止状态 ，电
感电流保持为零时段（ts4)，此时,电容C i Q 1
向R LOAD充电,并等待下一个周期导通.
故电路在一个开关周期内:
iQ2
T=ton1+ton2+ts1+ts2+ts3+ts4,
iD2
D= (ton1+ton2)/T.
LOAD充电.
Push-Pull topology analysis
4、MOSFET Q2导通时段(ton2), 二次侧线圈 Q 1 W3上产生的电能经D1，滤波电容C和R
Q2
LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。
5、 MOSFET Q1处于截止状态 ， MOSFET V Q 1
Q2进入截止时，电感L通过二极管D1,D2
因此,电路处于连续和断续的临界条件为:
iD1
ts2=0,ts4=0.
即:ts=ts1+ts3=(1-D)*T.
在所有MOSFET均处于截止时期，电感电流 i L 正好下降为零。
toff=ton2+ts1 +ts2+ts3+ts4
ton1 ts1 ts2
ts3 ts4
t ton2
t
Vin
2VinVin源自Full bridge topology analysis
LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。 2、MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4均处于截止状态 ，线圈W1中的电流为零,电感L通过二
极管D1,D2,D3,D4续流时段（ts1)，电感L的电流逐渐下降,并降到为零. 3、 MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts2)，此
电流连续模式,另一种为电流断续模式.
MOSFET
一、电路的传输特性(连续模式) （设变压器
2PIN，6PIN，4PIN和8PIN为同名端）
1、当MOSFET Q1导通时, 输入电能经 Q1，对变压器一次侧线圈W1充电， 线圈W1电流增长。由于变压器能量 传递，在一次侧线圈W2产生相应的
3
1
L
TRANSFORMER D1 MUR860
Push-Pull topology analysis
假若电路在理想工作状态下, 二极管压降忽略，变压器为理想变压器，电感L释放 的能量和储存的能量相同,根据伏特-秒原理,故有:
(Vin*W3/W2-Vo) *ton2 =Vo*ts2--------(2) 因W3=W4,W1=W2, ton1=ton2,ts1=ts2，D= (ton1+ton2)/T 将（1）式+（2）式，则有：
在设计中，为求输出平衡，同时也是 Q 2
为了让变压器结构对称以防止电流 偏于某一方向而导致变压器饱和,因 V Q 1 此,
在设计时使：
VQ2
W1=W2,W3=W4.
根据电磁感应的原理(楞次定律),线圈 i Q 1 W2的电压方向为:PIN4(同名端)为 正.因此,MOSFET Q2对地的电压为: i Q 2
LOAD再对电感L充电，电感L电流增长. 2、 MOSFET Q1进入截止状态 ，MOSFET Q2仍处于截止，线圈W1中的电流为零,变压
器次级线圈上的电压也相应为零.电感L通过二极管D1,D2续流时段（ts1),并降到为零. 3、 MOSFET Q1，Q2仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts2)，此时,电容C向R
1、当MOSFET Q1，Q3 导通时,此时MOSFET Q2，Q4截止.输入电能经Q1，Q3 对变压器一次侧线圈W1充电，线圈W1电流增长。由于变压器能量传递，在 二次侧线圈W2产生相应的电能，W2产生的电能经D2，D4，滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。
2、当MOSFET Q1，Q3进入截止状态 ，MOSFET Q2，Q4仍处于截止时，变压 器线圈W1此时无电流通过，电流为零。电感L上的电流由于不能突变，因 此电感L仍然通过D1，D2。D3，D4续流。每个二极管流过的电流刚好是电 感电流的一半。电感L上的电流逐渐减小.
2Vin
Vin
t 2Vin Vin
t
t
iL iL/2
iL/2
t
iL iL/2
t iL
iL/2 t
t DISCONTINUE C URRENT MODE
假若电路在理想工作状态下, 二极管压降忽略，变压器为理想变压器，电感L释 放的能量和储存的能量相同,根据伏特-秒原理,故有:
(Vin*W4/W1-Vo) *ton1 =Vo*ts1--------(1) 3、 MOSFET Q1处于截止状态 ， MOSFET Q2导通时,输入电能经Q2对变压器一
次侧线圈W2充电，线圈W2电流增长。由于变压器能量传递，线圈W3上的 电能经D1,滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长. 4、 MOSFET Q1处于截止状态 ， MOSFET Q2进入截止时，变压器线圈W2此时 无电流通过，电流为零。变压器次级线圈上的电压也相应为零.由于电感L上 的电流不能突变，因此电感L仍然通过D1，D2续流。每个二极管流过的电流 刚好是电感电流的一半。电感L上的电流逐渐减小.
的初，次级只需用一组线圈，无需抽
头）。但此电路的MOSFET较多，且
2
上下管驱动线路必须隔离，因此电路
稍嫌复杂，成本相对较高。
DC
该电路存在着两种工作模式,一种为电流连Vin
续模式,另一种为电流断续模式.
一、工作原理：此topology中互为对角的两
个MOSFET同时导通,同一侧半桥上下
2
的两个MOSFET交替导通，输入的直
Push-Pull topology
隔离型的小功率DC-DC拓扑
Push-Pull topology analysis
Push-Pull topology,俗称推挽式DC-DC变换器， 是一种隔离型电路,因在输入回路中仅有 一个MOSFET的通态压降，产生的通态 损耗较小，因此在UPS中常用于低输入 的电池电压场合。
时,电容C向R LOAD充电. 4、MOSFET Q2，Q4导通时段(ton2), W2产生的电能经D1，D3，滤波电容C和R LOAD
再对电感L充电，电感L电流增长。 5、 MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4均处于截止状态 ，电感L通过二极管D1,D2,D3,D4续流
时段（ts3),电感L的电流逐渐下降,并降到为零. 6、MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts4)，此时,
toff=ton2+ts1 +ts2
ton1
ts1
ts2
t ton2
t
Vin
2Vin
Vin
2Vin
Vin
t 2Vin Vin
t
t
VQ2=Vw2+Vw1=2Vin,
因此,对PUSH-PULL电路而言,在截止 i D 2
iL
t
时的MOSFET必须承受的耐压为两
iL/2
倍的输入电压.
t
线圈W3的电压方向为:PIN6(同名端)为 i D 1
iL
正,因此二极管D1截止.