开关电源常见的基本拓扑结构
2021-05-10

1、基本名词


    常见的基本拓扑结构

    ■Buck降压
    ■Boost升压
    ■Buck-Boost降压-升压
    ■Flyback反激
    ■Forward正激
    ■Two-Transistor Forward双晶体管正激
    ■Push-Pull推挽
    ■Half Bridge半桥
    ■Full Bridge全桥
    ■SEPIC
    ■C’uk


    基本的脉冲宽度调制波形

    这些拓扑结构都与开关式电路有关。


    基本的脉冲宽度调制波形定义如下:



    2、Buck降压



    特点

    ■把输入降至一个较低的电压。
    ■可能是最简单的电路。
    ■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。
    ■输出总是小于或等于输入。
    ■输入电流不连续 (斩波)。
    ■输出电流平滑。


    3、Boost升压



    特点

    ■把输入升至一个较高的电压。
    ■与降压一样,但重新安排了电感、开关和二极管。
    ■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。
    ■输入电流平滑。
    ■输出电流不连续 (斩波)。


    4、Buck-Boost降压-升压



    特点

    ■电感、开关和二极管的另一种安排方法。
    ■结合了降压和升压电路的缺点。
    ■输入电流不连续 (斩波)。
    ■输出电流也不连续 (斩波)。
    ■输出总是与输入反向 (注意电容的极性),但是幅度可以小于或大于输入。
    ■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式。


    5、Flyback反激



    特点

    ■如降压-升压电路一样工作,但是电感有两个绕组,而且同时作为变压器和电感。
    ■输出可以为正或为负,由线圈和二极管的极性决定。
    ■输出电压可以大于或小于输入电压,由变压器的匝数比决定。
    ■这是隔离拓扑结构中最简单的
    ■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。


    6、Forward正激



    特点

    ■降压电路的变压器耦合形式。
    ■不连续的输入电流,平滑的输出电流。
    ■因为采用变压器,输出可以大于或小于输入,可以是任何极性。
    ■增加次级绕组和电路可以获得多个输出。
    ■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。
    ■在开关接通阶段存储在初级电感中的能量,在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。


    7、Two-Transistor Forward双晶体管正激



    特点

    ■两个开关同时工作。
    ■开关断开时,存储在变压器中的能量使初级的极性反向,使二极管导通。
    ■主要优点:
    ■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。
    ■无需对绕组磁道复位。


    8、Push-Pull推挽



    特点

    ■开关(FET)的驱动不同相,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。
    ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
    ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
    ■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。


    9、Half-Bridge半桥



    特点

    ■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
    ■开关(FET)的驱动不同相,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。
    ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。
    ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
    ■施加在FET上的电压与输入电压相等。


    10、Full-Bridge全桥



    特点

    ■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
    ■开关(FET)以对角对的形式驱动,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。
    ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
    ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
    ■施加在 FETs上的电压与输入电压相等。
    ■在给定的功率下,初级电流是半桥的一半。


    11、SEPIC单端初级电感变换器


    特点

    ■输出电压可以大于或小于输入电压。
    ■与升压电路一样,输入电流平滑,但是输出电流不连续。
    ■能量通过电容从输入传输至输出。
    ■需要两个电感。


    12、C’uk(Slobodan C’uk的专利)


    特点


    ■输出反相
    ■输出电压的幅度可以大于或小于输入。
    ■输入电流和输出电流都是平滑的。
    ■能量通过电容从输入传输至输出。
    ■需要两个电感。
    ■电感可以耦合获得零纹波电感电流。


    13、电路工作的细节


    下面讲解几种拓扑结构的工作细节

    ■降压调整器:
            连续导电
            临界导电
            不连续导电

    ■升压调整器 (连续导电)
    ■变压器工作
    ■反激变压器
    ■正激变压器


    14、Buck-降压调整器-连续导电



    ■电感电流连续。
    ■Vout 是其输入电压 (V1)的均值。
    ■输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 (D)。
    ■接通时,电感电流从电池流出。
    ■开关断开时电流流过二极管。
    ■忽略开关和电感中的损耗, D与负载电流无关。
    ■降压调整器和其派生电路的特征是:

    输入电流不连续 (斩波), 输出电流连续 (平滑)。


    15、Buck-降压调整器-临界导电



    ■电感电流仍然是连续的,只是当开关再次接通时 “达到”零。


    这被称为 “临界导电”。


    输出电压仍等于输入电压乘以D。


    16、Buck-降压调整器-不连续导电



    ■在这种情况下,电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。
    ■输出电压仍然 (始终)是 v1的平均值。
    ■输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比 (D)。
    ■当负载电流低于临界值时,D随着负载电流而变化(而Vout保持不变)。


    17、Boost升压调整器



    ■输出电压始终大于(或等于)输入电压。
    ■输入电流连续,输出电流不连续(与降压调整器相反)。
    ■输出电压与负荷比(D)之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下:


    在本例中,Vin = 5,
    Vout = 15, and D = 2/3.
    Vout = 15,D = 2/3.


    18、变压器工作(包括初级电感的作用)



    ■变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。
    

19、反激变压器



    ■此处初级电感很低,用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时,能量传送到次级。
 

   20、Forward 正激变换变压器



    ■初级电感很高,因为无需存储能量。
    ■磁化电流 (i1) 流入 “磁化电感”,使磁芯在初级开关断开后去磁 (电压反向)。


    21、总结


    ■此处回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。
    ■还有许多拓扑结构,但大多是此处所述拓扑的组合或变形。
    ■每种拓扑结构包含独特的设计权衡:

             施加在开关上的电压
             斩波和平滑输入输出电流
             绕组的利用率


    ■选择最佳的拓扑结构需要研究:
            输入和输出电压范围
            电流范围
            成本和性能、大小和重量之比

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