Полумостовые и мостовые преобразователи: принципы работы, расчёт и применение

1. Введение: общая концепция и назначение

Полумостовые (half‑bridge) и мостовые (full‑bridge) преобразователи — ключевые топологии импульсных источников питания (ИИП) с трансформаторной развязкой, рассчитанные на средние и высокие мощности (от 100 Вт до десятков кВт).

Основные задачи:

• преобразование входного напряжения (AC/DC);
• гальваническая развязка входа и выхода;
• масштабирование напряжения (повышение/понижение);
• стабилизация выходного напряжения/тока.

Ключевые преимущества перед однотактными схемами (flyback, forward):

• выше КПД за счёт полного использования сердечника трансформатора;
• меньшие пульсации выходного напряжения;
• возможность работы на высоких мощностях;
• симметричная нагрузка трансформатора (снижение подмагничивания).

2. Полумостовой преобразователь (Half‑Bridge Converter)

2.1. Базовая схема и компоненты

Основные элементы:

• Два силовых ключа (Q₁, Q₂) — MOSFET/IGBT, образуют «полумост» на первичной обмотке трансформатора.
• Два разделительных конденсатора (C₁, C₂) — создают «среднюю точку» с потенциалом Uin​/2.
• Трансформатор (T) — обеспечивает развязку и преобразование напряжения.
• Выпрямитель (диоды или синхронный мост) — на вторичной стороне.
• Дроссель фильтра (L) и конденсатор © — сглаживают пульсации.
• ШИМ‑контроллер — управляет ключами с «мёртвым временем» (dead time) для исключения сквозных токов.

2.2. Принцип работы

Цикл: T=ton​+toff​.

Фаза 1: открыт Q₁, закрыт Q₂

• Ток течёт от +Uin​ через Q₁, первичную обмотку T, конденсаторы C₂ и C₁ обратно к «земле».
• Во вторичной обмотке индуцируется напряжение, выпрямитель передаёт энергию в нагрузку.
• Трансформатор намагничивается в одном направлении.

Фаза 2: закрыт Q₁, открыт Q₂

• Ток течёт через Q₂, конденсаторы C₁ и C₂, первичную обмотку T к +Uin​.
• Полярность на вторичной обмотке меняется, энергия передаётся в нагрузку.
• Трансформатор намагничивается в противоположном направлении.

Особенности:

• Напряжение на первичной обмотке: ±Uin​/2 (амплитуда).
• Конденсаторы C₁ и C₂ выполняют роль делителя и накопителя энергии.
• «Мёртвое время» между переключениями Q₁ и Q₂ предотвращает короткое замыкание.

2.3. Усреднённое уравнение

Для идеального трансформатора:

Uout​=D⋅2Uin​​⋅N1​N2​​,

где:

• Uout​ — выходное напряжение;
• D — скважность (отношение времени открытого состояния одного ключа к периоду T);
• N1​, N2​ — витки первичной и вторичной обмоток.

Выводы:

• Выходное напряжение регулируется скважностью D.
• Максимальное Uout​ ограничено Uin​⋅N2​/(2N1​).
• Симметричное переключение снижает подмагничивание трансформатора.

2.4. Расчёт ключевых параметров

1. Коэффициент трансформации N2​/N1​:

N1​N2​​=D⋅Uin​2⋅Uout​​.

Пример: Uin​=310 В, Uout​=48 В, D=0,6.

N1​N2​​=0,6⋅3102⋅48​≈0,516.

Выбор: N1​=100, N2​=52.

2. Ёмкость разделительных конденсаторов C1​, C2​:

C≥fsw​⋅Uin​⋅ΔUC​Iout​⋅N1​​,

где ΔUC​ — допустимый разброс напряжения на конденсаторах (обычно 1–5 % от Uin​/2).

3. Дроссель фильтра L (CCM):

L≥fsw​⋅ΔIL​(Uout​−Uin​⋅D⋅N2​/(2N1​))⋅D​.

4. Выходной конденсатор C:

ΔUout​≈8⋅fsw​⋅CΔIL​​.

2.5. Достоинства и недостатки

Плюсы:

• простота схемы (2 ключа);
• симметричная работа трансформатора;
• умеренные требования к напряжению ключей (UDS(max)​>Uin​).

Минусы:

• ограниченная мощность (обычно до 500 Вт);
• пульсации входного тока из‑за конденсаторов C₁, C₂;
• необходимость точного управления «мёртвым временем».

3. Мостовой преобразователь (Full‑Bridge Converter)

3.1. Базовая схема и компоненты

Основные элементы:

• Четыре силовых ключа (Q₁–Q₄) — образуют «полный мост» на первичной обмотке.
• Трансформатор (T) — развязка и преобразование.
• Выпрямитель — на вторичной стороне (диодный или синхронный мост).
• Дроссель (L) и конденсатор © — выходной фильтр.
• ШИМ‑контроллер — управляет парами ключей (Q₁+Q₄ и Q₂+Q₃) с «мёртвым временем».

3.2. Принцип работы

Цикл: T=ton​+toff​.

Фаза 1: открыты Q₁ и Q₄, закрыты Q₂ и Q₃

• Ток течёт: +Uin​ → Q₁ → первичная обмотка T → Q₄ → «земля».
• Энергия передаётся во вторичную цепь.
• Трансформатор намагничивается в одном направлении.

Фаза 2: закрыты Q₁ и Q₄, открыты Q₂ и Q₃

• Ток течёт: +Uin​ → Q₂ → первичная обмотка T (в обратном направлении) → Q₃ → «земля».
• Энергия снова передаётся в нагрузку.
• Трансформатор перемагничивается.

Особенности:

• Напряжение на первичной обмотке: ±Uin​ (полная амплитуда).
• Выше передаваемая мощность по сравнению с полумостом.
• Требуется точное управление парами ключей для исключения КЗ.

3.3. Усреднённое уравнение

Для идеального трансформатора:

Uout​=D⋅Uin​⋅N1​N2​​.

Выводы:

• Выходное напряжение пропорционально D и N2​/N1​.
• Максимальное Uout​ выше, чем у полумоста (в 2 раза при том же Uin​).
• Симметрия снижает подмагничивание.

3.4. Расчёт ключевых параметров

1. Коэффициент трансформации N2​/N1​:

N1​N2​​=D⋅Uin​Uout​​.

Пример: Uin​=310 В, Uout​=48 В, D=0,4.\frac{N_2}{N_1} = \frac{48}{