電源半橋拓撲電路設計分析

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電源半橋拓撲電路設計分析

一、電路的拓撲結(jié)構(gòu)有哪些

buck開關型調(diào)整器拓撲、boost開關調(diào)整器拓撲、反極性開關調(diào)整器拓撲、推挽拓撲、正激變換器拓撲、雙端正激變換器拓撲、交錯正激變換器拓撲、半橋變換器拓撲、全橋變換器拓撲、反激變換器、電流模式拓撲和電流饋電拓撲、SCR振諧拓撲、CUK變換器拓撲

二、半橋逆變器設計分析

因液晶屏本身沒有發(fā)光功能，這就需要在液晶屏后加一個照明系統(tǒng)，該背光照明系統(tǒng)由發(fā)光部件、能使光線均勻照射在液晶表示面的導光板和驅(qū)動發(fā)光部件的電源構(gòu)成。現(xiàn)在發(fā)光部件的主流為被稱作冷陰極管的螢光管。其發(fā)光原理與室內(nèi)照明用的熱陰管類似，但不需象熱陰管那樣先預熱燈絲，它在較低溫狀態(tài)就能點亮，因此叫冷陰極管。但要驅(qū)動這種冷陰極管需要能輸出1000~1500V交流電壓的特殊電源。這種特殊電源稱之為逆變器。
小尺寸CCFL（22寸以下）逆變器方案中，由于半橋架構(gòu)設計簡單，成本低，應用非常廣泛，通常使用一個P+N的場效應管即可實現(xiàn)，其工作模式比較簡單。

從成本和效率的角度考量，大尺寸LCD-TV逆變器的輸入逐漸改為由PFC（380V-400V)的輸出直接輸入，這就是我們所說的LIPS(LCD-TV Integrated Power Supply,液晶集成電源）方案。

大尺寸LIPS方案逆變器采用半橋或者全橋架構(gòu)，半橋架構(gòu)一般采用定頻，MOSFET處在硬開關狀態(tài)，這樣會導致MOSFET上面很大的開關損耗，此外這種硬開關導致的EMI必須通過相應的手段去處理才能符合EMC的規(guī)范要求。在成本上，因為逆變變壓器漏感很大，儲存的能量較大，而一般的MOSFET 體二極管反向截至的速度都比較慢，為了避免交叉導通。必須增加4顆超快恢復的二極管。但是由于LIPS方案中，逆變器的輸入電壓為PFC的輸出電壓，通常設計其工作在大占空比狀態(tài)，即使用變壓器的漏感，匝比來控制CCFL工作電流。這樣半橋架構(gòu)同樣可以實現(xiàn)MOSFET的軟開關狀態(tài)，不僅可以獲得不錯效率，也可以順利的通過EMC規(guī)范要求。這種方式正逐漸成為LIPS方案中成本與性能兼顧的選擇。它的主要優(yōu)點如下：
? 定頻下也可以實現(xiàn)零電壓導通
? 減少逆變器的EMI問題，提高轉(zhuǎn)換效率
? 減小散熱器面積
? 提高電流正弦度
? 不需要在橋臂上增加超快二極管
值得注意的是這種架構(gòu)由于較大能量傳輸由輸入電壓，漏感共同決定，需要當漏感Llk儲存能量續(xù)流完成前，打開開關管，這樣兩個MOSFET工作才能在軟開關狀態(tài)，如下圖分析。這樣將導致半橋的軟開關只能在一個很窄的范圍能實現(xiàn)，由于變壓器漏感在量產(chǎn)時候會有20%以上的偏差，以及pfc輸入電壓和液晶屏幕的微小差別，都可能導致在量產(chǎn)時候，逆變器的兩顆MOSFET沒有工作在軟開關狀態(tài)，過大的開關損耗導致其損壞。

三、半橋電路的運行原理及注意問題

用作橋臂的兩個電容選用問題：

從半橋電路結(jié)構(gòu)上看，選用橋臂上的兩個電容C1、C2時需要考慮電容的均壓問題，盡量選用C1=C2的電容，那么當某一開關管導通時，繞組上的電壓只有電源電壓的一半，達到均壓效果，一般情況下，還要在兩個電容兩端各并聯(lián)一個電阻（原理圖中的R1和R2）并且R1=R2進一步滿足要求，此時在選擇阻值和功率時需要注意降額。此時，電容C1、C2的作用就是用來自動平衡每個開關管的伏秒值，（與C3的區(qū)別：C3是濾去影響伏秒平衡的直流分量）。

直通問題：

所謂直通，就是Q1、Q2在某一時刻同時導通的現(xiàn)象，此時會構(gòu)成短路。

解決措施：

可以對驅(qū)動脈沖寬度的較大值加以限制，使導通角度不會產(chǎn)生直通。

還可以從拓撲上解決問題，才用交叉耦合封閉電路，使一管子導通時，另一管子驅(qū)動在封閉狀態(tài)，直到前一個管子關斷，封閉才取消，后管才有導通的可能，這種自動封鎖對存儲時間、參數(shù)分布有自動適應的優(yōu)點，而且對占空比可以滿度使用的。

半橋電路的驅(qū)動問題：

1、原邊線圈過負載限制：要給原邊的功率管提供獨立的電流限制；

2、軟啟動：啟動時，要限制脈寬，使得脈寬在啟動的較初若干個周期中慢慢上升；

3、磁的控制：控制晶體管驅(qū)動脈沖寬度相等，要使正反磁通相等，不產(chǎn)生偏磁；

4、防止直通：要控制占空比上限縮??；

5、電壓的控制和隔離：電路要閉環(huán)控制，隔離可以是光電隔離器、變壓器或磁放大器等；

6、過壓保護：通常是封閉變換器的開關脈沖以進行過壓保護；

7、電流限制：電流限制安裝在輸入或輸出回路上，在發(fā)生短路時候起作用；

8、輸入電壓過低保護：規(guī)定只有在發(fā)揮良好性能的足夠高的電壓下才能啟動；

9、此外，還要有合適的輔助功能：如浪涌電流限制和輸出濾波環(huán)節(jié)等。

開關電源充電器

半橋驅(qū)動電路的關鍵是如何實現(xiàn)上橋的驅(qū)動。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復二極管。PWM在上橋調(diào)制。當Q1關斷時，A點電位由于Q2的續(xù)流而回零，此時C1通過VCC及D1進行充電。當輸入信號Hin開通時，上橋的驅(qū)動由C1供電。由于C1的電壓不變，VB隨VS的升高而浮動，所以C1稱為自舉電容。每個PWM周期，電路都給C1充電，維持其電壓基本保持不變。D1的作用是當Q1關斷時為C1充電提供正向電流通道，當Q1開通時，阻止電流反向流入控制電壓VCC。D2的作用是為使上橋能夠快速關斷，減少開關損耗，縮短MOSFET關斷時的不穩(wěn)定過程。D3的作用是避免上橋快速開通時下橋的柵極電壓耦合上升(Cdv/dt)而導致上下橋穿通的現(xiàn)象。

半橋電路的驅(qū)動特點：

1、上下橋臂不共地，即原邊電路的開關管不共地。

2、隔離驅(qū)動。

本篇文章幾乎將半橋電路的大部分基礎知識都進行了總結(jié)和歸納。難得的是，還對半橋電路當中出現(xiàn)的問題進行了詳盡的分析，并給出了相應的解決方案。希望大家能夠全面掌握這些知識，從而為自己的設計生涯打好堅實的基礎。

四、半橋，全橋，反激，正激拓撲結(jié)構(gòu)的區(qū)別和特點

1、單端正激式
單端——通過一只開關器件單向驅(qū)動脈沖變壓器；
正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保在開關管導通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。
2、單端反激式
反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保當開關管導通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關器件，需要設置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

3、推挽（變壓器中心抽頭）式
這種電路結(jié)構(gòu)的特點是：對稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。
主要優(yōu)點：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅(qū)動電路簡單。
主要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。

4、全橋式
這種電路結(jié)構(gòu)的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動脈沖變壓器原邊。

5、半橋式
電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。

主要優(yōu)點：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動電路中。

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| 發(fā)布時間：2017.07.26 來源：電源廠家

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