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  • 开关电源拓扑结构知识分享
    • 发布时间:2021-04-09 13:28:25
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    开关电源拓扑结构知识分享
    1、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:
    开关电源拓扑结构
    2、Buck降压
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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-TransistorForward双晶体管正激
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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。
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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:
    开关电源拓扑结构
    在本例中,Vin=5,
    Vout=15,andD=2/3.
    Vout=15,D=2/3.
    18、变压器工作(包括初级电感的作用)
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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
    开关电源拓扑结构
    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)。
    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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