摘要：全橋式變壓器開關電源也屬于雙激式變壓器開關電源。它同時具有推挽式變壓器開關電源電壓利用率高，又具有半橋式變壓器開關電源耐壓高的特點。由于全橋式變壓器開關電源經常用于工作電壓高，輸出大功率大的場合，因此，本文主要是基于全橋式變壓器開關電源設計進行分析。
1 全橋式變壓器開關電源的工作原理
全橋式變壓器開關電源工作原理與推挽式變壓器開關電源以及半橋式變壓器開關電源的工作原理是很相似的，我下面先來了解全橋式變壓器開關電源工作原理。如下圖1所示是全橋式變壓器開關電源工作原理圖。圖中，K1、K2、K3、K4是4個控制開關，它們被分成兩組；K1和K4為一組，K2和K3為另一組。開關電源工作的時候，總是一組接通，另一組關斷，兩組控制開關輪流交替工作；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。
從上面的原理圖中可以看出，控制開關K1和K4與控制開關K2和K3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。因此，我們把圖1的電路稱為全橋式開關電源電路。圖中，當控制開關K1和K4接通時候，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，同時，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Ui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。
當控制開關控制開關K1和K4由接通轉為關斷的時候，控制開關K2和K3則由關斷轉為接通，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的b、a兩端；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。
當控制開關K1和K4接通時候，電源電壓Ui被加到變壓器初級線圈N1繞組的a、b兩端，在變壓器初級線圈N1繞組中將有電流經過，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。
2 全橋式開關電源變壓器參數的計算
全橋式變壓器開關電源的工作原理與推挽式變壓器開關電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵方式與工作電源的接入方式有點不同；因此，用于計算推挽式變壓器開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數的數學表達式，同樣可以用于全橋式變壓器開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數的計算。
2.1全式開關電源變壓器初級線圈匝數的計算
全橋式變壓器開關電源與推挽式開關電源一樣，也屬于雙激式開關電源，因此用于全橋式開關電源的變壓器鐵心的磁感應強度B,可從負的最大值-Bm,變化到正的最大值+Bm,并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。全橋式開關電源變壓器的計算方法與前面推挽式開關電源變壓器的計算方法基本相同，根據推挽式開關電源變壓器初級線圈匝數計算公式：
由上面的公式看出，雖然是用來計算推挽式變壓器開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數的公式，但對于全橋式變壓器開關電源變壓器初級線圈匝數的計算同樣有效。
式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數，S為變壓器鐵心的導磁面積（單位：平方厘米），Bm為變壓器鐵心的最大磁感應強度（單位：高斯）；Ui為開關電源的工作電壓，即加到變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，單位為伏；τ = Ton,為控制開關的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關管導通時間的寬度（單位：秒）； F為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開關電源變壓器工作于正、反激輸出的情況下，其伏秒容量必須相等，因此，可以直接用工作頻率來計算變壓器初級線圈N1繞組的匝數；F和τ取值要預留20%左右的余量。式中的指數是統一單位用的，選用不同單位，指數的值也不一樣，這里選用CGS單位制，即：長度為厘米（cm），磁感應強度為高斯（Gs），磁通單位為麥克斯韋（Mx）。
2.2交流輸出全橋式開關電源變壓器初、次級線圈匝數比的計算
全橋式變壓器開關電源如果用于DC/AC或AC/AC逆變電源，即把直流逆變成交流，或把交流整流成直流后再逆變成交流，這種逆變電源一般輸出電壓都不需要調整，工作效率很高。
用于逆變的全橋式變壓器開關電源一般輸出電壓uo都是占空比等于0.5的方波，由于方波的波形系數（有效值與半波平均值之比）等于1,因此，方波的有效值Uo與半波平均值Upa相等，并且方波的幅值Up與半波平均值Upa也相等。所以，只要知道輸出電壓的半波平均值就可以知道有效值，再根據半波平均值，就可以求得半橋式開關電源變壓器初、次級線圈匝數比。
2.3直流輸出電壓非調整式全橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數比的計算
直流輸出電壓非調整式全橋開關電源，就是在DC/AC逆變電源的交流輸出電路后面再接一級整流濾波電路，請參考1-48.這種直流輸出電壓非調整式全橋開關電源的兩組控制開關K1和K4、K2和K3的占空比與DC/AC逆變電源一樣，一般都是0.5,整流輸出電壓的有效值Uo與半波平均值Upa基本相等。因此，直流輸出電壓非調整式全橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數比可直接利用如下公式來計算。即：
同樣，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮變壓器的工作效率以及整流二極管的電壓降和4個開關器件接通時的電壓降。
2.4直流輸出電壓可調整式全橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數比的計算
直流輸出電壓可調整式全橋開關電源的功能就要求輸出電壓可調，因此，全橋式變壓器開關電源的兩組控制開關K1、K4和K2、K3的占空比必須要小于0.5;因為全橋式變壓器開關電源正反激兩種狀態都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓（平均值）的情況下，兩組控制開關K1、K4和K2、K3的占空比相當于要小一倍。當要求輸出電壓可調范圍為最大時，占空比最好取值為0.25.如下公式：
上面的公式就是計算直流輸出電壓可調整式全橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數比的公式。式中，N1為變壓器初級線圈的最少匝數，N2為變壓器次級線圈的匝數，Uo為直流輸出電壓，Ui為開關電源的工作電壓。
3 全橋式開關電源的優、劣勢
3.1全橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高。
全橋式變壓器開關電源與推挽式變壓器開關電源一樣，由于兩組開關器件輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關電源輸出功率的兩倍。因此，全橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高，經橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動系數Sv和電流脈動系數Si都很小，僅需要一個很小值的儲能濾波電容或儲能濾波電感，就可以得到一個電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。
3.2全橋式開關電源的優點是開關管的耐壓值特別的低。
全橋式變壓器開關電源最大的優點是，對4個開關器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關電源對兩個開關器件的耐壓要求可以降低一半。因為，全橋式變壓器開關電源4個開關器件分成兩組，工作時2個開關器件互相串聯，關斷時，每個開關器件所承受的電壓，只有單個開關器件所承受電壓的一半。其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和的一半，這個結果正好是推挽式變壓器開關電源兩個開關器件耐壓的一半。
3.3全橋式變壓器開關電源主要用于輸入電壓比較高的場合，在輸入電壓很高的情況下，
采用全橋式變壓器開關電源，其輸出功率要比推挽式變壓器開關電源的輸出功率大很多。因此，一般電網電壓為交流220伏供電的大功率開關電源大部分都是使用全橋式變壓器開關電源。而在輸入電壓較低的情況下，推挽式變壓器開關電源的輸出功率又要比全橋式變壓器開關電源的輸出功率大很多。
3.4全橋式變壓器開關電源的電源利用率比推挽式變壓器開關電源的電源利用率低一些，
因為2組開關器件互相串聯，兩個開關器件接通時總的電壓降要比單個開關器件接通時的電壓降大一倍；但比半橋式變壓器開關電源的電源利用率高很多。因此，全橋式變壓器開關電源也可以用于工作電源電壓比較低的場合。
3.5與半橋式開關電源一樣，全橋式變壓器開關電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組，這也是它的優點，這對小功率開關電源變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關電源變壓器的線圈繞制沒有優勢，因為，大功率開關電源變壓器的線圈需要用多股線來繞。
3.6全橋式變壓器開關電源的缺點主要是功率損耗比較較大，因此，全橋式變壓器開關電源不適宜用于工作電壓較低的場合，否則工作效率會很低。另外，全橋式變壓器開關電源中的4個開關器件連接沒有公共地，與驅動信號連接比較麻煩。
3.7全橋式開關電源的缺點是會出現半導通區，損耗大。
全橋式開關電源最大的缺點是，當兩組控制開關K1、K4和K2、K3處于交替轉換工作狀態的時候，4個開關器件會同時出現一個很短時間的半導通區域，即兩組控制開關同時處于接通狀態。這是因為開關器件在開始導通的時候，相當于對電容充電，它從截止狀態到完全導通狀態需要一個過渡過程；而開關器件從導通狀態轉換到截止狀態的時候，相當于對電容放電，它從導通狀態到完全截止狀態也需要一個過渡過程。
當兩組開關器件分別處于導通和截止過渡過程時，即兩組開關器件都處于半導通狀態時，相當于兩組控制開關同時接通，它們會造成對電源電壓產生短路；此時，在4個控制開關的串聯回路中將出現很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負載。因此，在4個控制開關K1、K4和K2、K3同時處于過渡過程期間，4個開關器件將會產生很大的功率損耗。為了降低控制開關過渡過程產生的損耗，一般在全橋式開關電源電路中，都有意讓兩組控制開關的接通和截止時間錯開一小段時間。
4 結論
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全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中4個控制開關，每個控制開關的兩端都并聯一個阻尼二極管。全橋式變壓器開關電源的交流輸出波形與推挽式變壓器開關電源以及半橋式變壓器開關電源的交流輸出波形也基本相同。 |
