二十種開關電源拓撲結構介紹

電子芯期天 2022-12-15 07:30

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什么是拓撲呢？所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設計，閉環補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。

開關電源的拓撲結構，常見拓撲大約有14種，每種都有自身的特點和適用場合。選擇原則是要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。

因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同拓撲的優缺點及適用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設計一開始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開關電源20種基本拓撲，幫助系統掌握每種電路結構的工作原理與基本特性。

一、20種開關電源拓撲對比

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

二、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：

三、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

四、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)

五、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。

六、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，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

七、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。

八、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。

九、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。

十、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。

十一、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。

十二、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。

十三、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。

十四、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

十五、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)。

十六、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。

十七、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)。

十八、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.

十九、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。

二十、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。

二十一、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)。

二十二、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：

1）施加在開關上的電壓

2）斬波和平滑輸入輸出電流

3）繞組的利用率

■?選擇最佳的拓撲結構需要研究：

1）輸入和輸出電壓范圍

2）電流范圍

3）成本和性能、大小和重量之比

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