【導讀】在學習了推挽式變壓器開關電源原理與參數的計算之后，接下來要為大家講解的是半橋式變壓器開關電源，從原理上來說，半橋式變壓器開關電源也屬于推挽式變壓器開關電源，它是多種推挽式變壓器開關電源家庭成員之一，更適用于工作電壓比較高的場合。來看看陶老師對半橋式變壓器開關電源又有什么獨到的見解吧！
在半橋式變壓器開關電源中，也是兩個控制開關K1和K2輪流交替工作，開關電源在整個工作周期之內都向負載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應速度很高，電壓輸出特性也很好。
由于半橋式變壓器開關電源當K1開通的時候，K2的電壓正好等于輸入電壓，相當于K2的耐壓可比反激式電源或正激式電源的耐壓低一半（占空比等于二分之一時），因此，半橋式變壓器開關電源比較適用于工作電壓比較高的場合。
本期先為大家講解交流輸出半橋式變壓器開關電源。
1-8-2-1．交流輸出半橋式變壓器開關電源
圖1-36是交流輸出半橋式變壓器開關電源的工作原理圖。圖中，K1、K2是兩個控制開關，它們工作的時候，總是一個接通，另一個關斷，兩個控制開關輪流交替工作；電容器C1、C2是儲能濾波電容，同時也是電源分壓電容，它們把電源電壓一分為二；一個充滿電的電容，我們可以把它看成是一個電源，因此，我們可以把電容器C1、C2看成是兩個電源串聯對變壓器負載供電；T為開關變壓器，N1為變壓器的初級線圈，N2為變壓器的次級線圈，Ui為直流輸入電壓，R為負載電阻；uo為輸出電壓，io為流過負載的電流。
從圖1-36原理圖中可以看出，電容器C1和C2與控制開關K1和K2正好組成一個電橋的兩臂，變壓器作為負載被跨接于電橋兩臂的中間。但由于電容器C1和C2的參數或電壓基本上沒有跟隨控制開關K1和K2的導通和截止同步變動，并且在實際應用中為了節省成本，經常只使用一個電容器C1或C2，因此，我們把圖1-36的電路稱為半橋式開關電源電路，或半橋式變壓器開關電源。
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圖1-36中，電容器C1、C2首先要被輸入電源Ui充電，兩個充滿電的電容器相當于兩個電源串聯。當控制開關K1接通時，電容器C1兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，電容器C1將通過變壓器初級線圈N1繞組進行放電；同時，由于互感的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負載R的兩端，使開關電源輸出一個正半周電壓。
當控制開關K1由接通轉為關斷時，控制開關K2則由關斷轉為接通，電容器C2兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端，電容器C2也將通過變壓器初級線圈N1繞組進行放電；同理，由于電磁感應的作用在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會輸出一個與N1繞組輸入電壓成正比的電壓，并加到負載R的兩端，使開關電源輸出一個負半周電壓。
由于電容器C1放電電流的方向正好與電容器C2放電電流的方向相反，因此，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端輸出電壓uo是一個脈沖寬度與控制開關K1（或K2）接通時間對應的方波。
由于輸入電源Ui直接與串聯電容器C1和C2連接在一起，因此，在任一時刻，當一個電容器在進行放電的時候，另一個電容器就會進行充電，兩個電容器充、放電的電荷總是相等。
下面我們進一步詳細分析半橋式變壓器開關電源的工作原理。
圖1-36中，輸入電源Ui首先對電容器C1、C2進行充電，當控制開關K1接通時，電容器C1兩端的電壓被加到變壓器初級線圈N1繞組的兩端，電容器C1將通過變壓器初級線圈N1繞組進行放電。電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經過，通過電磁感應會在變壓器的鐵心中產生磁場，并產生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產生自感電動勢e1，在次級線圈N2繞組的兩端也會產生感應電動勢e2；感應電動勢e2作用于負載R的兩端，從而產生負載電流。
因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產生的合成磁場，這個磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數目φ來表示。
如果用φ1來表示變壓器初級線圈N1繞組電流產生的磁通量，用φ2來表示變壓器次級線圈電流產生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產生的磁場方向總是相反，則在控制開關K1接通期間，由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產生的合成磁場的總磁通量φ為：
其中變壓器初級線圈電流產生的磁通φ1還可以分成兩個部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產生的磁通φ2，記為φ10，另一部分是由勵磁電流產生的磁通，記為Δφ1。顯然φ10=－φ2，Δφ1=φ。即：變壓器鐵心中產生的磁通量φ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關，與流過變壓器次級線圈中的電流無關；流過變壓器次級線圈中的電流產生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產生的磁通抵消。
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根據電磁感應定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：
上式中，e1為變壓器初級線圈產生的電動勢，Uab為電源加于變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab=Ui/2，dφ/dt變壓器鐵心中磁通的變化率。這里我們假定電容器C1或C2兩端的電壓在K1接通期間基本保持不變，其兩端電壓正好等于輸入電壓Ui的二分之一。
同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：
上式中，（Up）為開關變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值，用括弧匡住來表示。由于流過開關變壓器初級線圈N1繞組的勵磁電流或開關變壓器鐵心中的磁通是線性變化的，所以我們可認為開關變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓是一個方波。方波的幅值Up與半波平均值Upa以及有效值Uo三者完全相等。
根據（1-156）式和（1-157）式可以求得：
（1-158）式就是半橋式變壓器開關電源正激輸出時的電壓關系式。上式中，（Up）為開關變壓器次級線圈N2繞組正激輸出電壓的幅值；Ui為開關變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓器次、初級線圈的變壓比，即：開關變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數比，即：n=N2/N1。
由此可知，在控制開關K1接通期間，半橋式變壓器開關變壓器次級輸出的正激電壓幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關系。
同理我們也可以求得，當控制開關K2接通時，開關變壓器N2線圈繞組輸出的正激電壓幅值（Up-）為：
上式中的負號表示e2的符號與（1-158）中的符號相反，（Up-）表示與（Up）的極性相反，因為Uab=-Uba。
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這里還需指出，（1-158）式和（1-159）式列出的計算結果，并沒有考慮控制開關K1或K2關斷瞬間，勵磁電流存儲的能量產生反電動勢的影響。當控制開關K1或K2關斷瞬間，流過開關變壓器初級線圈的勵磁電流由最大值突然下降為零，使開關變壓器鐵心中的磁通量也要跟著產生變化；即：開關變壓器的初、次級線圈中都會產生感應電動勢，這種感應電動勢是勵磁電流存儲于關變壓器鐵心中的磁能量產生的；這種感應電動勢對于變壓器次級線圈電壓輸出繞組來說，屬于反激式輸出。即：半橋式變壓器開關電源同時存在正、反激電壓輸出。
反激式電壓產生的原因是因為K1或K2接通瞬間變壓器初級或次級線圈中的電流初始值不等于零，或磁通的初始值不等于零。
實際上，半橋式變壓器開關電源的反激式輸出電壓部分是不能忽略的。半橋式變壓器開關變壓器次級線圈的輸出電壓應該同時包括兩部分，正激輸出電壓和反激輸出電壓。
因此，圖1-36中，當控制開關K1關斷，K2接通瞬間，開關變壓器次級線圈輸出電壓應該等于正激電壓與反激電壓之和。正激電壓的計算可由（1-158）和（1-159）式給出，反激電壓的計算可由（1-67）或（1-68）式給出。關于純電阻負載反激式輸出電壓的計算，請參考前面《1-5-1．單激式變壓器開關電源的工作原理》章節中的相關內容分析，這里不再贅述。
根據（1-67）式可求得，開關變壓器次級線圈N2繞組產生的反激式輸出電壓為：
上式中，[uo]表示開關變壓器次級線圈N2繞組輸出的反激式電壓，[i2]表示開關變壓器次級線圈N2繞組輸出反激式電壓對負載R產生的電流。
另外根據（1-159）式求得的結果，開關變壓器次級線圈N2繞組產生的正激式輸出電壓為：
上面兩式中，[uo]表示開關變壓器次級線圈N2繞組產生的反激式輸出電壓，（uo）表示開關變壓器次級線圈N2繞組產生的正激式輸出電壓。
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因此，開關變壓器次級線圈輸出電壓uo等于正激電壓（uo）與反激電壓[uo]之和，即：
（1-162）式就是半橋式變壓器開關電源在負載為純電阻時，輸出電壓uo的表達式。由（1-162）式可以看出，當t=0時，即：控制開關K1關斷瞬間，輸出電壓有最大值：
從（1-163）式可以看出，在控制開關K1關斷瞬間，當變壓器次級線圈回路負載開路，或負載很輕的時候，變壓器次級線圈回路會產生非常高的反電動勢。
但在實際應用中，并不完全是這樣。因為，當控制開關K1關斷瞬間，控制開關K2也會同時接通，此時開關變壓器初級線圈N1繞組同時也被接到另一個電路中，即：原來K1接通時，由C1電源（充滿電后的電容可看成是一個電源）對開關變壓器初級線圈N1繞組進行供電，現在K2接通后，轉換成由C2電源對開關變壓器初級線圈N1繞組進行供電。
當K2剛接通的瞬間，N1繞組產生的反電動勢正好與C2電源電壓的方向相反，因此，在K2接通瞬間，C2電源不是馬上對開關變壓器初級線圈N1繞組進行供電，而是N1繞組產生的反電動勢首先對電容器C2進行充電；相當于在控制開關K2接通瞬間，開關變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C2吸收，待反電動勢的能量基本被吸收完后，電容器C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。
上面的（1-162）和（1-163）式并沒有完全考慮，開關變壓器初級線圈N1繞組產生的反電動勢對電容器C1和C2進行反充電所產生的影響。當開關變壓器初級線圈N1繞組產生的反電動勢對電容器C1和C2進行反充電時，相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進行限幅。因此，變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo中的反激式輸出電壓[uo]，并不會像（1-162）和（1-163）算式所表達的結果那么高。
顯然變壓器次級線圈回路產生反電動勢的高低還與控制開關K1和K2交替接入的時間差有關，與K1和K2的接入電阻的大小還有關。一般電子開關，如晶體管或場效應管，剛開始導通的時候也不能簡單地看成是一個開關，它從截止到導通，或從導通到截止，都需要一個過渡過程，因此，它也會存在一定的開關損耗。
另外，根據（1-75）式：
還可以知到，當控制開關K1和K2的占空比均等于0.5時，變壓器正激輸出電壓的半波平均值Upa與反激輸出的半波平均值Upa-基本相等。因此，只有在控制開關K2接通與控制開關K1斷開兩者之間存在時間差時，變壓器次級線圈回路才會產生非常高的反電動勢；但當控制開關K1和K2的占空比均小于0.5時，雖然反電動勢的幅度比較高，但由于正激式開關電源的勵磁電流一般都非常小（小于10%），其產生反電動勢的能量也很小。即：反電動勢脈沖的寬度很窄。
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根據上面分析和（1-75）式可知，反電動勢（反激輸出電壓）的半波平均值還是遠遠小于正激電壓的半波平均值。
所以，（1-162）和（1-163）式所表示的結果，可看成是半橋式變壓器開關電源在輸出電壓中含有毛刺（輸出噪音）的表達式。
根據上面分析，在一般情況下，半橋式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要還是由（1-158）、（1-159）、（1-161）等式來決定。即：半橋式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要由開關變壓器次級線圈N2繞組輸出的正激電壓來決定。
圖1-37是圖1-36半橋式變壓器開關電源，在負載為純電阻，且兩個控制開關K1和K2的占空比D均等于0.5時，變壓器初、次級線圈各繞組的電壓、電流波形。
圖1-37-a）和圖1-37-b）分別表示控制開關K1接通時，開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓Uab的波形，和流過變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic1的波形；圖1-37-c）和圖1-37-d）分別表示控制開關K2接通時，開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓uba的波形，和流過開關變壓器初級線圈N1繞組兩端的電流ic2的波形；圖1-37-e）和圖1-37-f）分別表示控制開關K1和K2輪流接通時，開關變壓器次級線圈N2繞組兩端輸出電壓uo的波形，和流過開關變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形。
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從圖1-37-b）和圖1-37-d）中我們可以看出，當控制開關K1或K2接通瞬間，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流，其初始值并不等于0，而是產生一個電流突跳，這是因為變壓器次級線圈N2繞組中有電流流過的原因。
當變壓器次級線圈N2繞組有負載電流流過時，其產生的磁通方向正好與流過變壓器次級線圈N1繞組勵磁電流產生的磁通方向相反，因此，流過變壓器初級線圈N1繞組的電流也要在原來勵磁電流的基礎上再增加一個電流，來抵消流過變壓器次級線圈N2繞組電流的影響。增加電流的大小等于流過變壓器次級線圈N2繞組電流的n倍，n為變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數比。
從圖1-37-f）中我們可以看出，流過開關變壓器次級線圈N2繞組兩端的電流波形是個矩形波，而不是三角波。這是因為半橋式變壓器開關電源同時存在正、反激電壓輸出的緣故。當變壓器同時存在正、反激電壓輸出時，反激式輸出的電流是由最大值開始，然后逐漸減小到最小值，如圖中虛線箭頭所示；而正激式輸出的電流則是由最小值開始，然后逐漸增加到最大值，如圖中實線箭頭所示；因此，兩者同時作用的結果，正好輸出一個矩形波。
從圖1-37-e）還可以看出，輸出電壓uo由兩個部分組成，一部分為電容器C1或C2存儲的電壓Uc1或Uc2通過變壓器初級線圈N1繞組感應到次級線圈N2繞組的正激式輸出電壓（uo），這個電壓的幅度比較穩定，一般不會隨著時間變化而變化；另一部分為勵磁電流通過變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量產生的反激式輸出電壓[uo]，這個電壓會使波形產生反沖，其幅度是時間的指數函數，它會隨著時間增大而變變小。
這里還需指出，圖1-37-e）中的波形有上沖，在純電阻負載中是正常的，盡管在控制開關K1或K2接通瞬間，開關變壓器初級線圈N1繞組存儲的磁能量有一部分要被電容器C1或C2吸收，待反電動勢的能量基本被吸收完后，電容器C1或C2才開始對變壓器初級線圈N1繞組供電。相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過變壓比被電容器C1、C2存儲的電壓進行限幅。
但由于控制開關K1、K2在剛接通瞬間有比較大的電阻，因此，變壓器次級線圈N2繞組瞬間反激輸出電壓高于正激輸出電壓是肯定的。另外，如果兩個儲能分壓電容的容量取得比較小，電源輸出電壓uo也會受電容的充放電過程影響，即：輸出電壓受Uc1或Uc2的變化調制，此時波形的上沖現象顯得更為嚴重。
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不過在大多數情況下，最好還是采用半波平均值的概念來進行電路分析或計算，以免需要進行復雜的指數函數運算。
在實際應用中，為了防止變壓器初級線圈產生的反電動勢把開關器件擊穿，降低開關器件半導通狀態期間的損耗和半橋式變壓器開關電源輸出電壓波形的反沖幅度，一般可在圖1-36中兩個控制開關，每個控制開關的兩端都并聯一個阻尼二極管，如圖1-38所示。
在圖1-38中，D1、D2為阻尼二極管，它們分別與控制開關K1、K2并聯。當控制開關K1由接通轉換到關斷時，不管K2處于什么工作狀態，接通或關斷，只要N1線圈中產生的感應電動勢e1的幅度超過電容器C2兩端的電壓Uc2，二極管D2就會導通，相當于感應電動勢e1通過二極管D2被電容C2兩端的電壓Uc2進行限幅，同時也相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應被Uc2進行限幅，而二極管D2對控制開關K2的工作幾乎不受影響。
同理，當控制開關K2由接通轉換到關斷時，不管K1處于什么工作狀態，只要N1線圈中產生的感應電動勢e1的幅度超過電容器C1兩端的電壓Uc1，二極管D1就會導通，感應電動勢e1就會通過二極管D1被電容器C1兩端的電壓Uc1進行限幅，這也相當于變壓器次級線圈N2繞組輸出電壓uo也要通過電磁感應被Uc2進行限幅，而二極管D2對控制開關K2的工作幾乎不受影響。
一般人們都把D1、D2稱為阻尼二極管，這是因為D1、D2沒有直接對輸出電壓uo進行限幅，而是通過變壓器初、次級之間的感應作用間接進行的。實際應用中，一般都在開關三極管的E-C或場效應管的S-D兩個電極內部封裝有一個阻尼二極管，其作用就是用來對輸出電壓反沖進行阻尼用的。阻尼二極管D1、D2的另一個作用是防止變壓器初級線圈N1繞組中產生的感應電動勢e1對控制開關K1、K2反向擊穿。
往期回顧：
陶顯芳老師談開關電源原理與設計——
連載一：開關電源電路的過渡過程
http://www.longhushijia.cn/power-art/80021728
連載二：反激式變壓器開關電源電路參數計算
http://www.longhushijia.cn/power-art/80021774
連載三：推挽式變壓器開關電源原理
http://www.longhushijia.cn/power-art/80021801
連載四：推挽式變壓器開關電源參數的計算
http://www.longhushijia.cn/power-art/80021833
