2.7　半桥式变换器的工作原理

半桥式DC/DC变换器，简称半桥式变换器，英文为Half Bridge Converter。半桥式变换器是在推挽式变换器的基础上构成的，由两只功率开关管构成半桥，适用于输出功率为100~500W的隔离式开关电源。例如，PC的主电源，大屏幕平板电视机的主电源等。

2.7.1　半桥式DC/DC变换器的拓扑结构

半桥式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-7-1所示。T为高频变压器，N_P为初级绕组，N_S1和N_S2为次级绕组，次级绕组带中心抽头，N_S1和N_S2匝数相同。初级绕组与次级绕组的极性相同，同名端位置如图中所示。C₁和C₂为电容量相等的输入分压电容，将输入电压U_I分为两半，即每只电容上的电压为U_I的1/2。VT₁和VT₂为功率开关管，VD₁和VD₂为输出整流二极管，L为输出滤波电感，C₃为输出滤波电容。U_O为直流输出电压，R_L为外部负载电阻。脉宽调制器（PWM）产生两路相位差为180°的控制信号U_A和U_B，使VT₁和VT₂交替工作，是变换器的控制核心。

同推挽式变换器相比，半桥式变换器增加了两只输入分压电容，省去了高频变压器初级绕组的中心抽头，并使功率开关管承受的电压下降为电源电压U_I。但是，半桥式变换器两只功率开关管的驱动控制信号U_A和U_B需要电气隔离，常用脉冲变压器来耦合驱动信号，其驱动电路比较复杂。

2.7.2　半桥式DC/DC变换器的工作原理

脉宽调制器（PWM）产生的两路控制信号U_A和U_B交替出现，当U_A为高电平时，U_B为低电平（反之亦然）。功率开关管VT₁和VT₂在脉宽调制（PWM）信号的控制下，交替地导通与关断（也称截止），相当于一个机械开关高速的闭合与断开。为了便于电路分析，以下图中用开关S₁和S₂的闭合与断开来代替VT₁和VT₂的导通和关断。

当U_A为高电平时，功率开关管VT₁导通（此时VT₂截止），图2-7-2示出了VT₁导通（S₁闭合）、VT₂关断（S₂断开）时的电流路径。输入电压U_I通过初级绕组N_P，接到分压电容C₂的上端，初级绕组N_P上施加了电源电压U_I的一半，使初级电流I_P1线性地增加。N_P的感应电动势为上“+”下“-”。根据电磁感应原理，高频变压器的次级绕组N_S1和N_S2两端的感应电压也为上“+”下“-”，此时次级整流二极管VD₁导通，VD₂截止。次级绕组N_S1产生的感应电压U_S1施加到输出滤波电感L左端，形成线性增加的次级电流I_S1（即整流二极管VD₁的正向电流），电感储存的能量也在增加，L上的感应电动势为左“+”右“-”。I_S1为输出滤波电容C₃充电，并为负载R_L提供输出电流I_O。次级绕组电流I_S1为电容充电电流I₁和负载电流I_O的总和。

当U_B为高电平时，功率开关管VT₂导通（此时VT₁截止），图2-7-3示出了VT₂导通（S₂闭合）、VT₁关断（S₁断开）时的电流路径。分压电容C₂两端的电压直接施加到初级绕组N_P上，即初级绕组N_P上施加了反向的电压，其大小为电源电压U_I的一半，使反向的初级电流I_P2线性地增加。N_P的感应电动势为上“-”下“+”。根据电磁感应原理，高频变压器的次级绕组N_S1和N_S2两端的感应电压也为上“-”下“+”，此时次级整流二极管VD₂导通，VD₁截止。次级绕组N_S2产生的电压U_S2施加到输出滤波电感L左端，形成线性增加的次级电流I_S2（即整流二极管VD₂的正向电流），电感储存的能量也在增加，L上的感应电动势为左“+”右“-”。I_S2为输出滤波电容C₃充电，并为负载R_L提供输出电流I_O。次级绕组电流I_S2为电容充电电流I₂和负载电流I_O的总和。

和推挽式变换器相同，为了避免两只功率开关管同时导通，半桥式变换器中脉宽调制器（PWM）产生的两路控制信号占空比D必须小于50%。当U_A和U_B都为低电平，即两只功率开关管VT₁和VT₂同时关断（即S₁和S₂同时断开）时，初级绕组N_P没有电流通过。此时，高频变压器T的次级一侧电流路径与推挽式变换器相同。可以参考图2-6-4及相关内容。

半桥式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-7-4所示。U_A和U_B分别为功率开关管VT₁和VT₂的控制信号，控制信号为高电平（t_ONA和t_ONB阶段）时，相应功率开关管导通，其他时刻相应功率开关管关断。其中，图2-7-4（a）示出了高频变压器初级侧的电压及电流波形，U_E1和U_C2分别为功率开关管VT₁发射极和VT₂的集电极的电压波形，I_P1和I_P2分别为高频变压器初级绕组N_P的正向和反向电流波形，即功率开关管VT₁和VT₂的集电极电流波形；图2-7-4（b）示出了高频变压器次级侧的电压及电流波形，U_D1和U_D2分别为输出整流二极管VD₁和VD₂正极（阳极）的电压波形，I_S1和I_S2分别为高频变压器次级绕组N_S1和N_S2的电流波形，即整流二极管VD₁和VD₂的正向电流波形。

从图2-7-4（a）可以看出，U_A为高电平（t_ONA阶段）时，功率开关管VT₁导通，其发射极电压U_E1为U_I，输入电压U_I加到初级绕组N_P的上端，使初级电流I_P1（也是VT₁的集电极电流I_C1）线性地增加。此时，功率开关管VT₂关断，因其集电极与VT₁的发射极连接，其集电极电压U_C2也为输入电压U_I；当U_B为高电平（t_ONB阶段）时，功率开关管VT₂导通，其集电极电压U_C2为0V，电容C₂上的电压加到初级绕组N_P的两端，使初级电流I_P2（也是VT₂的集电极电流I_C2）线性地增加。此时，功率开关管VT₁关断，因其发射极与VT₂的集电极连接，其发射极电压U_E1也为0V。即VT₁的发射极电压波形与VT₂的集电极电压波形完全相同。

在U_A和U_B均为低电平期间，功率开关管VT₁和VT₂都是关断状态，初级绕组没有感应电压，VT₁的发射极电压与VT₂的集电极电压相同，均为电容C₂上端（正极）的电压，该电压为输入电压U_I的一半（即U_I/2）。

从图2-7-4（b）可以看出，U_A为高电平（t_ONA阶段）时，次级绕组N_S1的感应电压使U_D1为正，整流二极管VD₁导通，形成线性增加的次级电流I_S1。此时，N_S2的感应电压使U_D2为负，整流二极管VD₂截止。同理，当U_B为高电平（t_ONB阶段）时，整流二极管VD₂导通，形成线性增加的次级电流I_S2。此时，VD₁截止。

和推挽式变换器相同，在U_A和U_B均为低电平期间，两只整流二极管VD₁和VD₂会同时导通，起到续流作用，每只整流二极管流过电感电流的一半。次级电流I_S1和I_S2也会出现图中的凸台形状。

半桥式DC/DC变换器的主要特点如下。

① 输出电压U_O与U_I的关系为：U_O=D（N_S/N_P）U_I。

② 功率开关管VT承受的最大电压U_CE=U_I。

③ 功率开关管VT的最大集电极电流I_C=（N_S/N_P）I_O。

④ 整流二极管的平均电流I_F=I_O/2。

⑤ 整流二极管的承受反向电压U_R=（N_S/N_P）U_I。

⑥ 半桥式变换器必须在输出整流二极管与滤波电容之间串联滤波电感。

⑦ 只要增加次级绕组数，就可组成多路输出式DC/DC变换器，并且输出电压的极性可以和输入电压的极性相反。