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、電路的拓撲結構有哪些

buck開關型調整器拓撲、boost開關調整器拓撲、反極性開關調整器拓撲、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光功能，這就需要在液晶屏后加一個照明系統，該背光照明系統由發光部件、能使光線均勻照射在液晶表示面的導光板和驅動發光部件的電源構成。現在發光部件的主流為被稱作冷陰極管的螢光管。其發光原理與室內照明用的熱陰管類似，但不需象熱陰管那樣先預熱燈絲，它在較低溫狀態就能點亮，因此叫冷陰極管。但要驅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，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，半橋架構一般采用定頻，MOSFET處在硬開關狀態，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，即使用變壓器的漏感，匝比來控制CCFL工作電流。這樣半橋架構同樣可以實現MOSFET的軟開關狀態，不僅可以獲得不錯效率，也可以順利的通過EMC規范要求。這種方式正逐漸成為LIPS方案中成本與性能兼顧的選擇。它的主要優點如下：
? 定頻下也可以實現零電壓導通
? 減少逆變器的EMI問題，提高轉換效率
? 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儲存能量續流完成前，打開開關管，這樣兩個MOSFET工作才能在軟開關狀態，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，由于變壓器漏感在量產時候會有20%以上的偏差，以及pfc輸入電壓和液晶屏幕的微小差別，都可能導致在量產時候，逆變器的兩顆MOSFET沒有工作在軟開關狀態，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：

從半橋電路結構上看，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象，此時會構成短路。

解決措施：

可以對驅動脈沖寬度的較大值加以限制，使導通角度不會產生直通。

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，另一管子驅動在封閉狀態，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、參數分布有自動適應的優點，而且對占空比可以滿度使用的。

半橋電路的驅動問題：

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：控制晶體管驅動脈沖寬度相等，要使正反磁通相等，不產生偏磁；

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，在發生短路時候起作用；

8、輸入電壓過低保護：規定只有在發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節等。

開關電源充電器

半橋驅動電路的關鍵是如何實現上橋的驅動。圖2中C1為自舉電容，D1為快恢復二極管。PWM在上橋調制。當Q1關斷時，A點電位由于Q2的續流而回零，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象。

半橋電路的驅動特點：

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和歸納。難得的是，還對半橋電路當中出現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，正激拓撲結構的區別和特點

1、單端正激式
單端——通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器；
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
這種電路結構的特點是：對稱性結構，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
這種電路結構的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。

5、半橋式
電路的結構類似于全橋式，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壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅動電路中。

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