半橋功率變換電路原理,半橋變換器原理-KIA MOS管

半橋功率變換電路原理

半橋變換器的原理是通過兩個功率開關管的交替導通與關斷，將輸入直流電壓轉換為高頻脈沖電壓，再經變壓器隔離和整流濾波后輸出穩定的直流電壓。

工作原理

半橋電路由兩個功率開關管（通常標記為S1和S2）、兩個串聯的輸入電容（C1和C2）以及一個變壓器或電感負載組成。兩個開關管的連接點作為輸出端，連接到負載。輸入電容將直流輸入電壓（Vin）平均分為兩部分，每個電容承受Vin/2的電壓應力。

1.S1導通、S2關斷：此時，輸入電容C1通過S1向變壓器原邊或負載提供能量，電流從C1正極經S1流向負載，再通過地返回C1負極。此時，變壓器原邊電壓為+Vin/2。

2.S1與S2均關斷（死區時間）：為避免上下管直通短路，兩個開關管會存在短暫的共同關斷時間。在此期間，負載電流通過續流二極管（或開關管的體二極管）續流，維持電流連續性。

3.S2導通、S1關斷：此時，輸入電容C2通過S2向負載提供能量，電流從C2正極經S2流向負載，再通過地返回C2負極。此時，變壓器原邊電壓為-Vin/2。

4.重復循環：S1和S2交替導通，使負載兩端獲得一個幅值為Vin/2的方波交流電壓，通過調節開關管的占空比即可控制輸出電壓的平均值。

半橋變換器原理圖

S1導通，S2關斷（原邊能量正向傳輸）

當PWM信號觸發S1導通、S2保持關斷時，原邊形成完整電流回路，變壓器開始傳遞能量，副邊同步整流輸出。

原邊側：電流從Vi正極流出，經導通的S1→變壓器原邊繞組Np→C2（已充至Vi/2）→回到Vi負極，形成回路。此時原邊繞組兩端電壓為Vnp=Vi/2（由C2分壓提供）。

磁能轉換：原邊電流流過Np產生交變磁場，變壓器鐵芯儲存磁能；副邊繞組Ns感應磁場，產生感應電壓VNs=VNp/n=Vi/(2n)（n=Np/Ns為匝數比）。

副邊側：感應電壓使D1正向導通、D2反向截止，電流從Ns上端流出→D1→儲能電感Lo（此時Lo充電，電流上升，儲存磁能）→濾波電容Co（補充能量）→負載→回到Ns中點，完成整流與能量傳輸。

S1關斷，S2關斷（能量續流階段）

當S1、S2均關斷時，原邊回路斷開，變壓器停止傳遞能量，但副邊儲能電感Lo會釋放能量，保證負載電流連續（避免電流中斷導致輸出電壓波動）。

原邊側：S1、S2均關斷，原邊無電流回路，變壓器磁能停止增加，副邊感應電壓消失VNs=0。

副邊續流：儲能電感Lo因“電流不能突變”，會產生反向電動勢，此時D1、D2均正向導通（相當于“續流通道”）。電流從Lo流出→Ns中點分為兩路：一路經回到Ns上端→D1;另一路回到Ns下端→經D2→兩路電流匯合→回到Lo另一端。

能量釋放：Lo儲存的磁能通過續流回路釋放，一部分供給負載，一部分補充Co的能量，維持Vo穩定，直到下一個開關管導通。

S1關斷，S2導通（原邊能量反向傳輸）

此工況與“工況1”對稱，是半橋變換器的另一個能量傳輸階段，通過S2導通實現原邊能量傳遞，保證變壓器磁場對稱（防止偏磁）。

原邊側：電流從V正極流出→經C1（已充至Vi/2）→變壓器原邊繞組Np（電流方向與工況1相反)→導通的S2→回到V負極，形成回路。此時原邊繞組兩端電壓仍為VNp=Vi/2，但極性反向，保證變壓器鐵芯磁場“正向充磁→反向充磁”對稱，避免偏磁飽和。

磁能與副邊：原邊反向電流產生反向磁場，副邊Ns感應反向電壓VNs=Vi/(2n)，使D2正向導通、D1截止。電流從Ns下端流出→D2→Lo（繼續充電，電流上升）→Co→負載→回到Ns中點，完成又一次能量傳輸。

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