电源半桥拓扑电路设计分析

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电源半桥拓扑电路设计分析

一、电路的拓扑结构有哪些

buck开关型调整器拓扑、boost开关调整器拓扑、反极性开关调整器拓扑、推挽拓扑、正激变换器拓扑、双端正激变换器拓扑、交错正激变换器拓扑、半桥变换器拓扑、全桥变换器拓扑、反激变换器、电流模式拓扑和电流馈电拓扑、SCR振谐拓扑、CUK变换器拓扑

二、半桥逆变器设计分析

因液晶屏本身没有发光功能，这就需要在液晶屏后加一个照明系统，该背光照明系统由发光部件、能使光线均匀照射在液晶表示面的导光板和驱动发光部件的电源构成。现在发光部件的主流为被称作冷阴极管的萤光管。其发光原理与室内照明用的热阴管类似，但不需象热阴管那样先预热灯丝，它在较低温状态就能点亮，因此叫冷阴极管。但要驱动这种冷阴极管需要能输出1000~1500V交流电压的特殊电源。这种特殊电源称之为逆变器。
小尺寸CCFL（22寸以下）逆变器方案中，由于半桥架构设计简单，成本低，应用非常广泛，通常使用一个P+N的场效应管即可实现，其工作模式比较简单。

从成本和效率的角度考量，大尺寸LCD-TV逆变器的输入逐渐改为由PFC（380V-400V)的输出直接输入，这就是我们所说的LIPS(LCD-TV Integrated Power Supply,液晶集成电源）方案。

大尺寸LIPS方案逆变器采用半桥或者全桥架构，半桥架构一般采用定频，MOSFET处在硬开关状态，这样会导致MOSFET上面很大的开关损耗，此外这种硬开关导致的EMI必须通过相应的手段去处理才能符合EMC的规范要求。在成本上，因为逆变变压器漏感很大，储存的能量较大，而一般的MOSFET 体二极管反向截至的速度都比较慢，为了避免交叉导通。必须增加4颗超快恢复的二极管。但是由于LIPS方案中，逆变器的输入电压为PFC的输出电压，通常设计其工作在最大占空比状态，即使用变压器的漏感，匝比来控制CCFL工作电流。这样半桥架构同样可以实现MOSFET的软开关状态，不仅可以获得不错效率，也可以顺利的通过EMC规范要求。这种方式正逐渐成为LIPS方案中成本与性能兼顾的选择。它的主要优点如下：
 定频下也可以实现零电压导通
 减少逆变器的EMI问题，提高转换效率
 减小散热器面积
 提高电流正弦度
 不需要在桥臂上增加超快二极管
值得注意的是这种架构由于最大能量传输由输入电压，漏感共同决定，需要当漏感Llk储存能量续流完成前，打开开关管，这样两个MOSFET工作才能在软开关状态，如下图分析。这样将导致半桥的软开关只能在一个很窄的范围能实现，由于变压器漏感在量产时候会有20%以上的偏差，以及pfc输入电压和液晶屏幕的微小差别，都可能导致在量产时候，逆变器的两颗MOSFET没有工作在软开关状态，过大的开关损耗导致其损坏。

三、半桥电路的运行原理及注意问题

用作桥臂的两个电容选用问题：

从半桥电路结构上看，选用桥臂上的两个电容C1、C2时需要考虑电容的均压问题，尽量选用C1=C2的电容，那么当某一开关管导通时，绕组上的电压只有电源电压的一半，达到均压效果，一般情况下，还要在两个电容两端各并联一个电阻（原理图中的R1和R2）并且R1=R2进一步满足要求，此时在选择阻值和功率时需要注意降额。此时，电容C1、C2的作用就是用来自动平衡每个开关管的伏秒值，（与C3的区别：C3是滤去影响伏秒平衡的直流分量）。

直通问题：

所谓直通，就是Q1、Q2在某一时刻同时导通的现象，此时会构成短路。

解决措施：

可以对驱动脉冲宽度的最大值加以限制，使导通角度不会产生直通。

还可以从拓扑上解决问题，才用交叉耦合封闭电路，使一管子导通时，另一管子驱动在封闭状态，直到前一个管子关断，封闭才取消，后管才有导通的可能，这种自动封锁对存储时间、参数分布有自动适应的优点，而且对占空比可以满度使用的。

半桥电路的驱动问题：

1、原边线圈过负载限制：要给原边的功率管提供独立的电流限制；

2、软启动：启动时，要限制脉宽，使得脉宽在启动的最初若干个周期中慢慢上升；

3、磁的控制：控制晶体管驱动脉冲宽度相等，要使正反磁通相等，不产生偏磁；

4、防止直通：要控制占空比上限缩小；

5、电压的控制和隔离：电路要闭环控制，隔离可以是光电隔离器、变压器或磁放大器等；

6、过压保护：通常是封闭变换器的开关脉冲以进行过压保护；

7、电流限制：电流限制安装在输入或输出回路上，在发生短路时候起作用；

8、输入电压过低保护：规定只有在发挥良好性能的足够高的电压下才能启动；

9、此外，还要有合适的辅助功能：如浪涌电流限制和输出滤波环节等。

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半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容，D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当Q1关断时，A点电位由于Q2的续流而回零，此时C1通过VCC及D1进行充电。当输入信号Hin开通时，上桥的驱动由C1供电。由于C1的电压不变，VB随VS的升高而浮动，所以C1称为自举电容。每个PWM周期，电路都给C1充电，维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为C1充电提供正向电流通道，当Q1开通时，阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断，减少开关损耗，缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。

半桥电路的驱动特点：

1、上下桥臂不共地，即原边电路的开关管不共地。

2、隔离驱动。

本篇文章几乎将半桥电路的大部分基础知识都进行了总结和归纳。难得的是，还对半桥电路当中出现的问题进行了详尽的分析，并给出了相应的解决方案。希望大家能够全面掌握这些知识，从而为自己的设计生涯打好坚实的基础。

四、半桥，全桥，反激，正激拓扑结构的区别和特点

1、单端正激式
单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；
正激——脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。
2、单端反激式
反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

3、推挽（变压器中心抽头）式
这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。
主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。
主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。

4、全桥式
这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

5、半桥式
电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。

主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。

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| 发布时间：2017.07.26 来源：电源厂家

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