2.8 全桥式变换器的工作原理
全桥式DC/DC变换器，简称全桥式变换器，英文为Full Bridge Converter。将半桥式DC/DC变换器的两只分压电容更换为一对功率开关管，就构成了全桥式DC/DC变换器。全桥式变换器适用于输出功率500W以上的隔离式开关电源。例如，通信基站用电源，电动汽车充电器电源等。
2.8.1 全桥式DC/DC变换器的拓扑结构
全桥式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-8-1所示。T为高频变压器，NP为初级绕组，NS1和NS2为次级绕组，次级绕组带中心抽头，NS1和NS2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。4只功率开关管被分成两组：VT1和VT4，VT2和VT3。VD1和VD2为输出整流二极管，L为输出滤波电感，C为输出滤波电容。UO为直流输出电压，RL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UA和UB，其中，UA驱动VT1和VT4，UB驱动VT2和VT3，使两组功率开关管交替工作，是变换器的控制核心。
图2-8-1 全桥式DC/DC变换器的拓扑结构
同半桥式变换器相比，全桥式变换器增加了两只功率开关管。通常需要用脉冲变压器来耦合驱动信号，使4只功率开关管的驱动控制信号UA和UB彼此电气隔离，其驱动电路更加复杂，电源成本较高。
2.8.2 全桥式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UA和UB交替出现，当UA为高电平时，UB为低电平（反之亦然）。功率开关管VT1、VT4和VT2、VT3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地闭合与断开。为了便于电路分析，以下图中用开关S1~S4的闭合与断开来代替VT1~VT4的导通和关断。
当UA为高电平时，功率开关管VT1和VT4导通（此时VT2和VT3截止），图2-8-2示出了VT1、VT4导通（S1、S4闭合），VT2、VT3关断（S2、S3断开）时的电流路径。输入电压UI通过S1和S4施加到初级绕组NP上，使初级电流IP1线性地增加。NP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NS1和NS2两端的感应电动势也为上“+”下“-”，此时次级整流二极管VD1导通，VD2截止。次级绕组NS1产生的电压US1施加到输出滤波电感L左端，形成线性增加的次级电流IS1（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“-”。IS1为输出滤波电容C充电，并为负载RL提供输出电流IO。次级绕组电流IS1为电容充电电流I1和负载电流IO的总和。
图2-8-2 全桥式DC/DC变换器VT1、VT4导通时的电流路径
当UB为高电平时，功率开关管VT2和VT3导通（此时VT1和VT4截止），图2-8-3示出了VT2、VT3导通（S2、S3闭合），VT1、VT4关断（S1、S4断开）时的电流路径。输入电压UI通过S2和S3反向施加到初级绕组NP上，使反向的初级电流IP2线性地增加。NP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NS1和NS2两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NS2产生的感应电压US2施加到输出滤波电感L左端，形成线性增加的次级电流IS2（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“-”。IS2为输出滤波电容C充电，并为负载RL提供输出电流IO。次级绕组电流IS2为电容充电电流I2和负载电流IO的总和。
图2-8-3 全桥式DC/DC变换器VT2、VT3导通时的电流路径
和推挽式变换器类似，为了避免两组功率开关管同时导通，全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UA和UB都为低电平，即两组功率开关管VT1、VT4和VT2、VT3同时关断（即S1~S4同时断开）时，初级绕组NP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。读者可以参考图2-6-4及相关内容。
图2-8-4 全桥式DC/DC变换器的电压及电流波形
小贴示
全桥式变换器是在两组功率开关管导通期间向负载传输能量的，属于正激型变换器。
全桥式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-8-4所示。UA和UB分别为两组功率开关管VT1、VT4和VT2、VT3的控制信号，控制信号为高电平（tONA和tONB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2-8-4（a）示出了高频变压器初级侧的电压及电流波形，UE1（UC2）为功率开关管VT1发射极，也是VT2集电极的电压波形。UE3（UC4）为功率开关管VT3发射极，也是VT4集电极的电压波形。IP1和IP2分别为高频变压器初级绕组NP的正向和反向电流波形，也是功率开关管VT1、VT4和VT2、VT3的集电极电流波形；图2-8-4（b）示出了高频变压器次级侧的电压及电流波形，UD1和UD2分别为输出整流二极管VD1和VD2正极（阳极）的电压波形，IS1和IS2分别为高频变压器次级绕组NS1和NS2的电流波形，即整流二极管VD1和VD2的正向电流波形。
全桥式DC/DC变换器具备半桥式和推挽式变换器的全部优点，但是电路结构更为复杂，成本也是最高的。在各种DC/DC变换器中，以全桥式DC/DC变换器的输出功率最大，它适合构成输出功率为1~3kW的大功率隔离式开关电源。全桥式DC/DC变换器的主要特点如下。
① 输出电压UO与UI的关系为：UO=2D（NS/NP）UI（和推挽式相同）。
② 功率开关管VT承受的最大电压UCE=UI（和半桥式相同）。
③ 功率开关管VT的最大集电极电流IC=（NS/NP）IO。
④ 整流二极管的平均电流IF=IO/2。
⑤ 整流二极管的承受反向电压UR=2（NS/NP）UI（和推挽式相同）。
⑥ 推挽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。