什么是半桥开关电源电路？其结构怎样？工作原理如何？

一、什么是半桥开关电源？

半桥开关电源是一种非常常见的中、大功率开关电源拓扑结构。

它的核心特征是由两个串联的功率开关管Q1、Q2（通常是MOSFET） 和一个中点 构成，其形状类似于一个“桥”，但由于只用了桥臂的一半（两个开关管）来进行开关控制，所以被称为“半桥”。

如图示

主要特点：

①适用功率范围：

通常用于几百瓦到一千多瓦的场合。

②结构较复杂：

介于正激（简单，功率小）和全桥（复杂，功率大）之间，是一种性价比较高的方案。

③抗不平衡能力：

具有天生的抗变压器磁偏磁能力，这是它相对于单端拓扑（如正激式）的一个巨大优势。

④主要构成元件：

两个开关管Q1、Q2，两个分压电容C1、C2、一个正激高频变压器T1、整流二极管D1、D2，储能电感Lo滤波电容Co等构成。

注意:电路中还串入了C3，起什么作用呢？

二、半桥开关电源的工作原理

为了更好地理解，我们将其工作过程分解为几个关键部分。

①电路的起始状态与分压

直流输入电压（如PFC级输出的+380V直流）加在由开关管Q1、Q2和电容C1、C2串联构成的桥臂上。

电容C1和C2的容量相等，它们通过电阻R1、R2或其他方式被预充至大约一半的输入电压，即 `Vc1 = Vc2 ≈ Vin/2`。

这两个电容不仅用于滤波，更重要的是与开关管配合，在变压器初级产生交流电压。

二、下面，我们结合图示的电流路径，详细分析一个完整的工作周期：

①第一阶段

控制电路(电源管理芯片完成)驱动Q1导通，Q2截止。

此时C1放电，C2充电。

电流路径：C1放电→Q1→ C3→变压器T的初级绕组 → 电容C2→最终回到输入负端。

如图示

初级电压：此时，加在变压器初级绕组上的电压为 `C1上的电压，所以初级绕组NP上的电压 `VNP = VC1 ≈ Vin/2`（方向为上正下负）。

次级输出：变压器次级绕组NS感应出电压，根据同名端关系，此时二极管D1正向偏置而导通，D2反向截止。能量通过D1传递到负载。

②第二与第四阶段：死区时间1和2

在Q1关断后、Q2开启前，进入死区时间1，以及Q2关断后、Q1开启前，进入死区时间2。

目的：防止Q1和Q2同时导通，造成“直通”短路，烧毁开关管。这是半桥电路控制的关键。

电流路径：在此期间，变压器初级绕组的励磁电感会维持原先电流方向，该电流会通过开关管的体二极管或外部的并联RC缓冲电路进行续流，为下一次开关动作做准备。

③ 第三阶段

死区时间1后，控制电路驱动Q2导通，Q1截止。

此时C2开始放电，而C1开始充电。

电流路径:

电流从C2的正端（即中点）流出→经过 变压器T的初级绕组→ Q2→ 地（输入负端）。注意，这里实际上是C2在放电。

如图示

初级绕组电压：此时，加在变压器初级绕组NP上的电压是电容C2两端的电压，即 `VNp= -VC2 ≈ -Vin/2`（方向为下正上负）。与第一阶段相比，电压方向相反。

此时电源+VlN(+380V)给C1充电。

同时次级感应输出：变压器次级绕组NS感应出的电压方向也随之改变。此时二极管D2正向偏置而导通，D1反向截止。能量通过D2传递到负载。

④循环与输出

通过Q1和Q2交替导通（相位相差180度），在变压器初级产生了一个幅值约为 `±Vin/2` 的交流方波电压。这个交流电压被变压器耦合到次级，经过次级的高频整流器（通常为中心抽头全波整流或全桥整流）和LC滤波电路后，就得到了平稳的直流输出电压。

输出电压反馈：输出的直流电压通过反馈网络（如光耦）传送到控制芯片（如UC3825, SG3525等），控制芯片通过调节两个开关管的占空比来稳定输出电压。当负载变重时，增加占空比；负载变轻时，减小占空比。

三、半桥电路的优缺点总结

优点：

不需要退磁电路，自动抗磁偏

由于变压器初级施加的是对称的交变电压，磁芯在正负半周都能被利用，工作在B-H回线的第一和第三象限，避免了磁芯饱和的问题。

缺点：

①变压器初级电压利用率低：

施加在变压器初级的电压只有输入电压的一半（`Vin/2`）。要获得相同的输出功率，初级需要比全桥电路更大的电流。

②需要平衡电容：

电容C1和C2的分压需要保持平衡，但在现实中由于两个开关管Q1、Q2参数会多少有偏差，因此会造成C1、C2分压不平衡，所以电路串入平衡电容C3，通过C3的充放电作用，维持中点电压平衡，同时达到自动消除偏磁的目的。

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