### 半桥和全桥变换器拓扑——第四章
#### 4.1 概述
半桥和全桥变换器作为电力电子技术中的重要组成部分，具有独特的结构和优势。这两种变换器的主要特点之一就是它们的开关管在稳态下的关断电压等于直流输入电压，这与其他类型的变换器（如推挽、单端正激或交错正激）不同，后者的开关管关断电压通常是输入电压的两倍。这种特性使得半桥和全桥变换器在直接电网的离线式变换器中得到了广泛应用。
此外，桥式变换器的一个显著优点是能够将变压器初级侧的漏感尖峰电压钳位于直流母线电压，并将这部分能量返回至输入母线，而不是将其消耗在电阻元件上，从而提高了整个系统的效率。
#### 4.2 半桥变换器拓扑
##### 4.2.1 工作原理
半桥变换器的基本结构包括两个开关管（通常为MOSFET或IGBT）、两个滤波电容和一个变压器。在半桥变换器中，两个滤波电容C1和C2串联，分别与两个开关管并联。当其中一个开关管导通时，另一个开关管处于关断状态。在关断状态下，开关管所承受的电压仅为最大直流输入电压，而非两倍于此值。
具体来说，当输入电压为220V交流电时，电路采用全波整流方式，滤波电容C1和C2串联，整流后的直流电压约为1.41×220-2=308V；当输入电压降低至120V时，电路相当于一个倍压整流器。在此情况下，在输入电压的正半周期间，电源通过二极管D1给电容C1充电，使其电压达到峰值约1.41×120-1=168V；而在负半周期间，电源通过二极管D2给电容C2充电，同样达到168V。这样，两个电容串联后的输出电压约为336V。
##### 4.2.2 半桥变换器磁设计
在进行半桥变换器的磁设计时，需要考虑以下几个方面：
1. **最大导通时间和磁心尺寸的选择**：在输入电压最小或不正常工作状态时，最大导通时间不应超过0.8T/2。磁心的选择需根据特定的应用场景和要求进行。
2. **初级绕组匝数的计算**：假设最低输入电压为(Vdc/2)-1，最大导通时间为0.8T/2，在已知磁心种类和磁心面积的情况下，可以通过法拉第定律计算出初级绕组数。需要注意的是，dB值为峰值磁密期望值的两倍。
3. **初级电流、输出功率、输入电压之间的关系**：假设变换器效率为80%，当电源输入电压最低时，输入功率等于初级电压最小值与对应的初级电流平均值的乘积。即1.25Po=(Vdc/2)(Ipft)(0.8T/T)。
4. **初级线径的选择**：半桥拓扑初级电流的有效值可通过相关公式计算得出，进而确定合适的线径。
5. **次级绕组匝数和线径的选择**：次级绕组匝数和线径的选择也需要根据具体的应用需求进行计算，通常涉及到效率、输出功率等因素。
##### 4.2.3 输出滤波器的设计
输出滤波器的设计目标是减少输出电压的纹波。对于半桥变换器而言，由于对输出电感电流幅值和输出纹波电压的要求与推挽电路相似，因此可以参照相关的公式来进行计算。
##### 4.2.4 防止磁通不平衡的阻断电容的选择
为了防止磁通不平衡的问题，通常会在半桥变换器的初级电路中串联一个小容量的阻断电容Cb。磁通不平衡主要发生在初级置位伏秒数与复位伏秒数不相等时，导致磁通沿着磁滞回线持续增加直至磁心饱和。为了避免这种情况，通过选择合适的阻断电容值来平衡两侧的电压。
例如，在一个功率为150W的半桥电路中，额定直流输入电压为320V，频率为100kHz，设有15%的网压波动，最小输入电压为272V，则初级电压应为±272/2=±136V。如果初级平顶脉冲电压的允许下降量约为10%，即约为14V，那么可以根据相关的公式计算所需的阻断电容值。
#### 4.3 全桥变换器拓扑
全桥变换器是一种更为复杂的结构，它包含四个开关管（通常为MOSFET或IGBT），形成了一个完整的桥式电路。与半桥变换器相比，全桥变换器能够提供更高的效率和更大的功率处理能力。全桥变换器的工作原理类似于半桥变换器，但在操作模式上更加灵活多样，可以支持更多种不同的工作模式，如电压反转模式等。
半桥和全桥变换器作为电力电子技术中的核心组成部分，在多种应用场景中扮演着重要的角色。通过对这些变换器拓扑的深入理解，可以更好地利用它们的优势，提高电力电子设备的整体性能。
