开关电源的二十种拓扑结构

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2022-03-18 02:32:22 0

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：

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Buck 降压

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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。

*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

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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。

*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

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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。

*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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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：

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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）

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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

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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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