详解全桥式开关电源变压器的原理及参数计算

全桥式开关电源变压器作为一种非常常见的变压器类型，在工业控制、光伏变电等领域都有很广泛的应用。对于新人工程师来说，掌握这种电源变压器的工作原理知识是非常重要的。本文将会就全桥式开关电源变压器的运行原理知识及参数的计算，展开简要分析和介绍。

其实全桥式开关电源变压器在实际的应用过程中，其工作原理与推挽式开关电源变压器以及半桥式开关电源变压器的工作原理是很相似的。下图1所示的是全桥式变压器开关电源工作原理图。

图中，K1、K2、K3、K4是4个控制开关，它们被分成两组。K1和K4为一组，K2和K3为另一组。开关电源工作的时候，总是一组接通，另一组关断，两组控制开关轮流交替工作。T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈。Ui为直流输入电压，R为负载电阻，uo为输出电压，io为流过负载的电流。

图1

从图1所展示的全桥式开关电源变压器原理图中可以看出，在全桥式的电源变压器中，其控制开关K1和K4与控制开关K2和K3正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。因此，我们把图1的电路称为全桥式开关电源电路。

图中，当控制开关K1和K4接通时候，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，同时，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压Ui成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。

在全桥式开关电源变压器的正常运行过程中，当控制开关K1和K4由接通转为关断的时候，控制开关K2和K3则由关断转为接通，电源电压Ui被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端。

同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。当控制开关K1和K4接通时候，全桥式开关电源变压器中的电源电压Ui将会被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，在变压器初级线圈N1绕组中将有电流经过，通过电磁感应会在变压器的铁心中产生磁场，并产生磁力线。同时，在初级线圈N1绕组的两端要产生自感电动势e1,在次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2。感应电动势e2作用于负载R的两端，从而产生负载电流。

全桥式开关电源变压器参数的计算

全桥式变压器开关电源的工作原理与推挽式变压器开关电源的工作原理是非常接近的，只是变压器的激励方式与工作电源的接入方式有点不同；因此，用于计算推挽式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的数学表达式，同样可以用于全桥式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的计算。

A)全式开关电源变压器初级线圈匝数的计算

全桥式变压器开关电源与推挽式开关电源一样，也属于双激式开关电源，因此用于全桥式开关电源的变压器铁心的磁感应强度B，可从负的最大值-Bm，变化到正的最大值+Bm，并且变压器铁心可以不用留气隙。全桥式开关电源变压器的计算方法与前面推挽式开关电源变压器的计算方法基本相同，根据推挽式开关电源变压器初级线圈匝数计算公式(1-150)和(1-151)式：

上面(1-150)和(1-151)式，虽然是用来计算推挽式变压器开关电源变压器初级线圈N1绕组匝数的公式，但对于全桥式变压器开关电源变压器初级线圈匝数的计算同样有效。

(1-150)和(1-151)式中，N1为变压器初级线圈N1绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位：平方厘米)，Bm为变压器铁心的最大磁感应强度(单位：高斯)；Ui为开关电源的工作电压，即加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压，单位为伏；τ = Ton，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度(单位：秒)；

F为工作频率，单位为赫芝，一般双激式开关电源变压器工作于正、反激输出的情况下，其伏秒容量必须相等，因此，可以直接用工作频率来计算变压器初级线圈N1绕组的匝数；F和τ取值要预留20%左右的余量。式中的指数是统一单位用的，选用不同单位，指数的值也不一样，这里选用CGS单位制，即：长度为厘米(cm)，磁感应强度为高斯(Gs)，磁通单位为麦克斯韦(Mx)。

B)交流输出全桥式开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算

全桥式变压器开关电源如果用于DC/AC或AC/AC逆变电源，即把直流逆变成交流，或把交流整流成直流后再逆变成交流，这种逆变电源一般输出电压都不需要调整，工作效率很高。请参考图1-47。

用于逆变的全桥式变压器开关电源一般输出电压uo都是占空比等于0.5的方波，于方波的波形系数(有效值与半波平均值之比)等于1，因此，方波的有效值Uo与半波平均值Upa相等，并且方波的幅值Up与半波平均值Upa也相等。所以，只要知道输出电压的半波平均值就可以知道有效值，再根据半波平均值，就可以求得半桥式开关电源变压器初、次级线圈匝数比。

根据前面分析，全桥式变压器开关电源的输出电压uo，主要由开关电源变压器次级线圈输出的正激电压来决定。因此，根据(1-182)、(1-183)式就可以出全桥式变压器开关电源的输出电压的半波平均值。由此求得全桥式逆变开关电源变压器初、次级线圈匝数比：

n = N2/N1 =Uo/Ui =Upa/Ui —— 次/初级变压比，D = 0.5时 (1-188)

(1-188)式就是计算全桥式逆变开关电源变压器初、次级线圈匝数比的公式。式中，N1为变压器初级线圈N1绕组的匝数，N2为变压器次级线圈的匝数，Uo输出电压的有效值，或平均值，Ui为直流输入电压，Upa输出电压的半波平均值。

(1-188)式还没有考虑变压器的工作效率，当把变压器的工作效率也考虑进去时，最好在(1-188)式的右边乘以一个略大于1的系数。

C)直流输出电压非调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算

直流输出电压非调整式全桥开关电源，就是在DC/AC逆变电源的交流输出电路后面再接一级整流滤波电路，请参考1-48。这种直流输出电压非调整式全桥开关电源的两组控制开关K1和K4、K2和K3的占空比与DC/AC逆变电源一样，一般都是0.5，整流输出电压的有效值Uo与半波平均值Upa基本相等。因此，直流输出电压非调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比可直接利用(1-188)式来计算。即：

n = N2/N1 =Uo/Ui =Upa/Ui —— 次/初级变压比，D = 0.5时 (1-188)

同样，在低电压、大电流输出的情况下，一定要考虑变压器的工作效率以及整流二极管的电压降和4个开关器件接通时的电压降。

D)直流输出电压可调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算

直流输出电压可调整式全桥开关电源的功能就要求输出电压可调，因此，全桥式变压器开关电源的两组控制开关K1、K4和K2、K3的占空比必须要小于0.5；因为全桥式变压器开关电源正反激两种状态都有电压输出，所以在同样输出电压(平均值)的情况下，两组控制开关K1、K4和K2、K3的占空比相当于要小一倍。当要求输出电压可调范围为最大时，占空比最好取值为0.25。根据(1-140)和(1-145)式可求得：

n=N2/N1 =2Uo(1-D) /Ui —— 次/初级变压比，D小于0.5时 (1-189)

或

n= N2/N1 =3Uo/Ui —— 次/初级变压比，D为0.25时 (1-190)

Uo =n*Ui/2(1-D) —— D小于0.5时 (1-140)

Uo =2*n*Ui/3 —— D为0.25时 (1-145)

(1-189)、(1-190)式就是计算直流输出电压可调整式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的公式。式中，N1为变压器初级线圈的最少匝数，N2为变压器次级线圈的匝数，Uo为直流输出电压，Ui为开关电源的工作电压。

以上就是本文针对全桥式开关电源变压器的工作原理及参数计算所进行的简要介绍和分析，希望对各位新人工程师的工作和设计带来一定帮助。