半桥功率变换电路原理,半桥变换器原理-KIA MOS管

半桥功率变换电路原理

半桥变换器的原理是通过两个功率开关管的交替导通与关断，将输入直流电压转换为高频脉冲电压，再经变压器隔离和整流滤波后输出稳定的直流电压。

工作原理

半桥电路由两个功率开关管（通常标记为S1和S2）、两个串联的输入电容（C1和C2）以及一个变压器或电感负载组成。两个开关管的连接点作为输出端，连接到负载。输入电容将直流输入电压（Vin）平均分为两部分，每个电容承受Vin/2的电压应力。

1.S1导通、S2关断：此时，输入电容C1通过S1向变压器原边或负载提供能量，电流从C1正极经S1流向负载，再通过地返回C1负极。此时，变压器原边电压为+Vin/2。

2.S1与S2均关断（死区时间）：为避免上下管直通短路，两个开关管会存在短暂的共同关断时间。在此期间，负载电流通过续流二极管（或开关管的体二极管）续流，维持电流连续性。

3.S2导通、S1关断：此时，输入电容C2通过S2向负载提供能量，电流从C2正极经S2流向负载，再通过地返回C2负极。此时，变压器原边电压为-Vin/2。

4.重复循环：S1和S2交替导通，使负载两端获得一个幅值为Vin/2的方波交流电压，通过调节开关管的占空比即可控制输出电压的平均值。

半桥变换器原理图

S1导通，S2关断（原边能量正向传输）

当PWM信号触发S1导通、S2保持关断时，原边形成完整电流回路，变压器开始传递能量，副边同步整流输出。

原边侧：电流从Vi正极流出，经导通的S1→变压器原边绕组Np→C2（已充至Vi/2）→回到Vi负极，形成回路。此时原边绕组两端电压为Vnp=Vi/2（由C2分压提供）。

磁能转换：原边电流流过Np产生交变磁场，变压器铁芯储存磁能；副边绕组Ns感应磁场，产生感应电压VNs=VNp/n=Vi/(2n)（n=Np/Ns为匝数比）。

副边侧：感应电压使D1正向导通、D2反向截止，电流从Ns上端流出→D1→储能电感Lo（此时Lo充电，电流上升，储存磁能）→滤波电容Co（补充能量）→负载→回到Ns中点，完成整流与能量传输。

S1关断，S2关断（能量续流阶段）

当S1、S2均关断时，原边回路断开，变压器停止传递能量，但副边储能电感Lo会释放能量，保证负载电流连续（避免电流中断导致输出电压波动）。

原边侧：S1、S2均关断，原边无电流回路，变压器磁能停止增加，副边感应电压消失VNs=0。

副边续流：储能电感Lo因“电流不能突变”，会产生反向电动势，此时D1、D2均正向导通（相当于“续流通道”）。电流从Lo流出→Ns中点分为两路：一路经回到Ns上端→D1;另一路回到Ns下端→经D2→两路电流汇合→回到Lo另一端。

能量释放：Lo储存的磁能通过续流回路释放，一部分供给负载，一部分补充Co的能量，维持Vo稳定，直到下一个开关管导通。

S1关断，S2导通（原边能量反向传输）

此工况与“工况1”对称，是半桥变换器的另一个能量传输阶段，通过S2导通实现原边能量传递，保证变压器磁场对称（防止偏磁）。

原边侧：电流从V正极流出→经C1（已充至Vi/2）→变压器原边绕组Np（电流方向与工况1相反)→导通的S2→回到V负极，形成回路。此时原边绕组两端电压仍为VNp=Vi/2，但极性反向，保证变压器铁芯磁场“正向充磁→反向充磁”对称，避免偏磁饱和。

磁能与副边：原边反向电流产生反向磁场，副边Ns感应反向电压VNs=Vi/(2n)，使D2正向导通、D1截止。电流从Ns下端流出→D2→Lo（继续充电，电流上升）→Co→负载→回到Ns中点，完成又一次能量传输。

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