電源半橋拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)分析

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電源半橋拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)分析

一、電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有哪些

buck開關(guān)型調(diào)整器拓?fù)?、boost開關(guān)調(diào)整器拓?fù)?、反極性開關(guān)調(diào)整器拓?fù)?、推挽拓?fù)?、正激變換器拓?fù)?、雙端正激變換器拓?fù)?、交錯(cuò)正激變換器拓?fù)?、半橋變換器拓?fù)?、全橋變換器拓?fù)?、反激變換器、電流模式拓?fù)浜碗娏黟侂娡負(fù)?、SCR振諧拓?fù)?、CUK變換器拓?fù)?br />

二、半橋逆變器設(shè)計(jì)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(gè)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(dǎo)光板和驅(qū)動(dòng)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(yù)熱燈絲，它在較低溫狀態(tài)就能點(diǎn)亮，因此叫冷陰極管。但要驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用非常廣泛，通常使用一個(gè)P+N的場(chǎng)效應(yīng)管即可實(shí)現(xiàn)，其工作模式比較簡(jiǎn)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(guān)狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致MOSFET上面很大的開關(guān)損耗，此外這種硬開關(guān)導(dǎo)致的EMI必須通過相應(yīng)的手段去處理才能符合EMC的規(guī)范要求。在成本上，因?yàn)槟孀冏儔浩髀└泻艽螅瑑?chǔ)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(dǎo)通。必須增加4顆超快恢復(fù)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)MOSFET的軟開關(guān)狀態(tài)，不僅可以獲得不錯(cuò)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L(zhǎng)IPS方案中成本與性能兼顧的選擇。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
? 定頻下也可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)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(dāng)漏感Llk儲(chǔ)存能量續(xù)流完成前，打開開關(guān)管，這樣兩個(gè)MOSFET工作才能在軟開關(guān)狀態(tài)，如下圖分析。這樣將導(dǎo)致半橋的軟開關(guān)只能在一個(gè)很窄的范圍能實(shí)現(xiàn)，由于變壓器漏感在量產(chǎn)時(shí)候會(huì)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(dǎo)致在量產(chǎn)時(shí)候，逆變器的兩顆MOSFET沒有工作在軟開關(guān)狀態(tài)，過大的開關(guān)損耗導(dǎo)致其損壞。

三、半橋電路的運(yùn)行原理及注意問題

用作橋臂的兩個(gè)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(gè)電容C1、C2時(shí)需要考慮電容的均壓?jiǎn)栴}，盡量選用C1=C2的電容，那么當(dāng)某一開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓的一半，達(dá)到均壓效果，一般情況下，還要在兩個(gè)電容兩端各并聯(lián)一個(gè)電阻（原理圖中的R1和R2）并且R1=R2進(jìn)一步滿足要求，此時(shí)在選擇阻值和功率時(shí)需要注意降額。此時(shí)，電容C1、C2的作用就是用來自動(dòng)平衡每個(gè)開關(guān)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(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)構(gòu)成短路。

解決措施：

可以對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度的較大值加以限制，使導(dǎo)通角度不會(huì)產(chǎn)生直通。

還可以從拓?fù)渖辖鉀Q問題，才用交叉耦合封閉電路，使一管子導(dǎo)通時(shí)，另一管子驅(qū)動(dòng)在封閉狀態(tài)，直到前一個(gè)管子關(guān)斷，封閉才取消，后管才有導(dǎo)通的可能，這種自動(dòng)封鎖對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間、參數(shù)分布有自動(dòng)適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)占空比可以滿度使用的。

半橋電路的驅(qū)動(dòng)問題：

1、原邊線圈過負(fù)載限制：要給原邊的功率管提供獨(dú)立的電流限制；

2、軟啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)，要限制脈寬，使得脈寬在啟動(dòng)的較初若干個(gè)周期中慢慢上升；

3、磁的控制：控制晶體管驅(qū)動(dòng)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小；

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(hù)：通常是封閉變換器的開關(guān)脈沖以進(jìn)行過壓保護(hù)；

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(shí)候起作用；

8、輸入電壓過低保護(hù)：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(dòng)；

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(guān)電源充電器

半橋驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)上橋的驅(qū)動(dòng)。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復(fù)二極管。PWM在上橋調(diào)制。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，A點(diǎn)電位由于Q2的續(xù)流而回零，此時(shí)C1通過VCC及D1進(jìn)行充電。當(dāng)輸入信號(hào)Hin開通時(shí)，上橋的驅(qū)動(dòng)由C1供電。由于C1的電壓不變，VB隨VS的升高而浮動(dòng)，所以C1稱為自舉電容。每個(gè)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(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)為C1充電提供正向電流通道，當(dāng)Q1開通時(shí)，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(guān)斷，減少開關(guān)損耗，縮短MOSFET關(guān)斷時(shí)的不穩(wěn)定過程。D3的作用是避免上橋快速開通時(shí)下橋的柵極電壓耦合上升(Cdv/dt)而導(dǎo)致上下橋穿通的現(xiàn)象。

半橋電路的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)：

1、上下橋臂不共地，即原邊電路的開關(guān)管不共地。

2、隔離驅(qū)動(dòng)。

本篇文章幾乎將半橋電路的大部分基礎(chǔ)知識(shí)都進(jìn)行了總結(jié)和歸納。難得的是，還對(duì)半橋電路當(dāng)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了詳盡的分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。希望大家能夠全面掌握這些知識(shí)，從而為自己的設(shè)計(jì)生涯打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、半橋，全橋，反激，正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別和特點(diǎn)

1、單端正激式
單端——通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器；
正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊同時(shí)對(duì)負(fù)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(guān)系，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電，即原/付邊交錯(cuò)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(guān)器件，需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)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(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)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(diǎn)：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(dòng)電路簡(jiǎn)單。
主要缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)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(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(guān)管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。

主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)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(dòng)電路中。

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| 發(fā)布時(shí)間：2017.07.26 來源：電源廠家

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