開關電源各種拓撲結構的特點

發布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：2110

1、基本名詞
    常見的基本拓撲結構
    ■Buck降壓
    ■Boost升壓
    ■Buck-Boost降壓-升壓
    ■Flyback反激
    ■Forward正激
    ■Two-Transistor Forward雙晶體管正激
    ■Push-Pull推挽
    ■Half Bridge半橋
    ■Full Bridge全橋
    ■SEPIC
    ■C’uk
    基本的脈沖寬度調制波形
    這些拓撲結構都與開關式電路有關。
    基本的脈沖寬度調制波形定義如下：

2、Buck降壓

    特點
    ■把輸入降至一個較低的電壓。
    ■可能是最簡單的電路。
    ■電感/電容濾波器濾平開關后的方波。
    ■輸出總是小于或等于輸入。
    ■輸入電流不連續 (斬波)。
    ■輸出電流平滑。
    3、Boost升壓

    特點
    ■把輸入升至一個較高的電壓。
    ■與降壓一樣，但重新安排了電感、開關和二極管。
    ■輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降)。
    ■輸入電流平滑。
    ■輸出電流不連續 (斬波)。
    4、Buck-Boost降壓-升壓

    特點
    ■電感、開關和二極管的另一種安排方法。
    ■結合了降壓和升壓電路的缺點。
    ■輸入電流不連續 (斬波)。
    ■輸出電流也不連續 (斬波)。
    ■輸出總是與輸入反向 (注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入。
    ■“反激”變換器實際是降壓-升壓電路隔離（變壓器耦合）形式。
    5、Flyback反激

    特點
    ■如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，而且同時作為變壓器和電感。
    ■輸出可以為正或為負，由線圈和二極管的極性決定。
    ■輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數比決定。
    ■這是隔離拓撲結構中最簡單的
    ■增加次級繞組和電路可以得到多個輸出。
    6、Forward正激

    特點
    ■降壓電路的變壓器耦合形式。
    ■不連續的輸入電流，平滑的輸出電流。
    ■因為采用變壓器，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。
    ■增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。
    ■在每個開關周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。
    ■在開關接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。
    7、Two-Transistor Forward雙晶體管正激

    特點
    ■兩個開關同時工作。
    ■開關斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導通。
    ■主要優點：
    ■每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓。
    ■無需對繞組磁道復位。
    8、Push-Pull推挽

    特點
    ■開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。
    ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。
    ■全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
    ■施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
    9、Half-Bridge半橋

    特點
    ■較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
    ■開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。
    ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。
    ■全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
    ■施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
    10、Full-Bridge全橋

    特點
    ■較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
    ■開關（FET）以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。
    ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。
    ■全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
    ■施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。
    ■在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
    11、SEPIC單端初級電感變換器

    特點
    ■輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。
    ■與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。
    ■能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
    ■需要兩個電感。
    12、C’uk(Slobodan C’uk的專利)

    特點
    ■輸出反相
    ■輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。
    ■輸入電流和輸出電流都是平滑的。
    ■能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
    ■需要兩個電感。
    ■電感可以耦合獲得零紋波電感電流。
    13、電路工作的細節
    下面講解幾種拓撲結構的工作細節
    ■降壓調整器：
    連續導電
    臨界導電
    不連續導電
    ■升壓調整器 (連續導電)
    ■變壓器工作
    ■反激變壓器
    ■正激變壓器
    14、Buck-降壓調整器-連續導電

    ■電感電流連續。
    ■Vout 是其輸入電壓 (V1)的均值。
    ■輸出電壓為輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。
    ■接通時，電感電流從電池流出。
    ■開關斷開時電流流過二極管。
    ■忽略開關和電感中的損耗, D與負載電流無關。
    ■降壓調整器和其派生電路的特征是：
    輸入電流不連續 (斬波), 輸出電流連續 (平滑)。
    15、Buck-降壓調整器-臨界導電

    ■電感電流仍然是連續的，只是當開關再次接通時 “達到”零。
    這被稱為 “臨界導電”。
    輸出電壓仍等于輸入電壓乘以D。
    16、Buck-降壓調整器-不連續導電

    ■在這種情況下，電感中的電流在每個周期的一段時間中為零。
    ■輸出電壓仍然 (始終)是 v1的平均值。
    ■輸出電壓不是輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。
    ■當負載電流低于臨界值時,D隨著負載電流而變化(而Vout保持不變)。
    17、Boost升壓調整器

    ■輸出電壓始終大于（或等于）輸入電壓。
    ■輸入電流連續，輸出電流不連續（與降壓調整器相反）。
    ■輸出電壓與負荷比（D）之間的關系不如在降壓調整器中那么簡單。在連續導電的情況下：

    在本例中，Vin = 5,
    Vout = 15, and D = 2/3.
    Vout = 15，D = 2/3.
    18、變壓器工作（包括初級電感的作用）

■變壓器看作理想變壓器，它的初級（磁化）電感與初級并聯。
19、反激變壓器

■此處初級電感很低，用于確定峰值電流和存儲的能量。當初級開關斷開時，能量傳送到次級。
20、Forward 正激變換變壓器

    ■初級電感很高，因為無需存儲能量。
    ■磁化電流 (i1) 流入 “磁化電感”，使磁芯在初級開關斷開后去磁 (電壓反向)。
    21、總結
    ■此處回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。
    ■還有許多拓撲結構，但大多是此處所述拓撲的組合或變形。
    ■每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：
    施加在開關上的電壓
    斬波和平滑輸入輸出電流
    繞組的利用率
    ■選擇[敏感詞]的拓撲結構需要研究：
    輸入和輸出電壓范圍
    電流范圍
    成本和性能、大小和重量之比