開關電源常見的基本拓撲結構

文章目錄

• 1、基本名詞
• 2、Buck降壓
• 3、Boost升壓
• 4、Buck-Boost降壓-升壓
• 5、Flyback反激
• 6、Forward正激
• 7、Two-Transistor Forward雙晶體管正激
• 8、Push-Pull推挽
• 9、Half-Bridge半橋
• 10、Full-Bridge全橋
• 11、SEPIC單端初級電感變換器
• 12、C’uk(Slobodan C’uk的專利)
• 13、電路工作的細節
• 14、Buck-降壓調整器-連續導電
• 15、Buck-降壓調整器-臨界導電
• 16、Buck-降壓調整器-不連續導電
• 17、Boost升壓調整器
• 18、變壓器工作(包括初級電感的作用)
• 19、反激變壓器
• 20、Forward 正激變換變壓器
• 21、總結

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

特點

■ 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

■ 選擇最佳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