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开关电源的二十种拓扑结构

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:710

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:

 

 

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

 

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)

 

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。

 

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,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

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

电路工作的细节

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

 

 

Buck-降压调整器-连续导电

 

特点:

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)。

 

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。

 

 

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)。

 

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:

 

Vin = 5
Vout = 15
and D = 2/3
Vout = 15
D = 2/3

 

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。

 

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。

 

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)。





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