半桥变换器解析：拓扑、原理与关键工况图解

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一、半桥变换器核心拓扑：组件与原理图

半桥变换器的核心是 “两个开关管交替导通 + 分压电容 + 隔离变压器 + 副边整流滤波” 的组合，通过电磁感应实现能量从原边到副边的隔离传输，同时通过开关控制调节输出电压。

1.1 核心组件及功能

先明确电路中每个组件的作用，为后续理解原理打基础：

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组件标识	组件名称	核心功能
Vi	输入直流电压	为整个变换器提供初始电能，通常是整流滤波后的母线电压（如 220VAC 整流后的 310VDC）
S1、S2	功率开关管	核心控制元件，通过 PWM 信号交替导通 / 关断，控制原边能量的 “通断” 与传输时长
C1、C2	原边分压电容	串联在输入侧，将Vi平均分为两路Vi/2，保证变压器原边电压对称，防止偏磁
T	隔离变压器	实现原副边电气隔离（安全需求），通过原副边匝数比n=Np/Ns调节电压等级
Np	变压器原边绕组	接入原边电路，通电流产生交变磁场，将电能转化为磁能
Ns	变压器副边绕组	感应原边磁场的磁能，转化为电能输出到副边电路
D1、D2	副边整流二极管	单向导电，将副边感应的交变电压整流为单向电流，避免电流反向冲击
Lo	输出储能电感	开关导通时储存能量，关断时释放能量，保证输出电流连续、平稳
Co	输出滤波电容	滤除整流后的电压纹波，输出稳定的直流电压Vo
Vo	输出直流电压	最终供给负载的电压（如 5V、12V、24V 等）

1.2 半桥变换器完整原理图

下图为半桥变换器的完整电路原理图，标注了所有组件的连接关系，后续分析的所有工况均基于此拓扑：

注：原理图中变压器T的原边绕组Np为串联结构（两端分别接C1/C2中点与S1/S2中点），副边绕组Ns为中心抽头结构（中点接负载地），这是半桥变换器的经典绕制方式。

二、半桥变换器工作原理：三大关键工况图解

半桥变换器的工作周期T由三个核心工况循环组成：S1导通、S2关断→S1、S2均关断→S1关断、S2导通→S1、S2均关断，周而复始。每个工况的电流路径、能量传递方向都不同，下面结合图解逐一分析。

工况 1：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。

1.2 工况细节分析

• 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。
  

工况 2：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）。

2.2 工况细节分析

• 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。
  

工况 3：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）。

3.2 工况细节分析

• 原边侧：电流从Vi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Vi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。
  

三、核心公式与应用注意事项

掌握工况后，结合公式可快速计算输出电压，同时需注意避免常见问题。

3.1 电压转换公式

半桥变换器的输出电压由输入电压Vi、开关管占空比D、变压器匝数比n共同决定，公式推导基于 “原副边伏秒平衡”（电感 / 变压器磁能充放平衡）：

• D：每半周期占空比（即单个开关管在其专属半周期T/2内的导通时间占比，范围 0~1，实际应用中因死区时间限制，D<0.9；
• n：变压器原副边匝数比（n=Np/Ns，若需降压，n>1，如Vi=310V、Vo=12V，可设n=13，则D≈0.8）。
  

3.2 应用注意事项

• 分压电容选型：C1、C2需容量相等（如均选 100μF/400V），且耐压≥Vi，避免分压不均导致变压器偏磁；
• 开关管死区：S1、S2不能同时导通（会导致输入短路，烧毁开关管），需在 PWM 信号中加入 “死区时间”（通常几十 ns~ 几 μs）；
• 电感电流模式：半桥变换器多工作在 “连续电流模式（CCM）”，适用于中高功率（50~800W），低功率场景可采用断续电流模式（DCM），但需注意输出纹波；
• 控制芯片：常用专用芯片如 TI 的 UCC28250、ON Semi 的 NCP1399，内置对称 PWM 生成、过流保护、偏磁补偿功能，简化设计。
  

四、总结

半桥变换器的核心是 “对称开关 + 分压电容 + 隔离传输”：通过S1、S2交替导通实现能量的间歇传输，通过C1、C2分压保证变压器磁场对称，通过副边续流维持输出稳定。掌握 “三个关键工况” 的电流路径与能量流向，再结合电压公式，就能灵活应对半桥变换器的设计与调试。

图片来源：CSDN 博主 “鲁棒最小二乘支持向量机” 的原创文章《电源硬件设计 ---- 半桥变换器 (Half-Bridge Converter) 基础》.