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                开关电源二十种拓扑结构介绍

                2021-12-02 10:22:15 125

                什么是拓扑?所谓电路拓扑,就是电路中功率器件和电磁元件的连接方法,而磁性元件的设计、闭环补偿电路的设计以及其他所有电路元件的设计都依赖于拓扑。最基本的拓扑有降压(buck)、升压(boost)和降压/升压(boost/buck)、非对称反激(isolated flyback)、正向、推挽、半桥和全桥变换器。

                开关电源拓扑有大约14种常见的拓扑,每一种都有自己的特点和适用场合。选择的原则是看是大功率还是小功率,是高压还是低压输出,元器件是否尽量少。

                因此,要适当地选择拓扑,熟悉不同拓扑的优缺点和应用领域是非常重要的。错误的选择会让饮食设计从一开始就注定失败。下面分别总█结了20种基本的开关电源拓扑结构,帮助系统掌握每种电路结构的工作原理和基本特性。



                一、20种开关电源拓扑对比


                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


                二、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:



                三、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


                四、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)


                五、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。


                六、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


                七、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


                八、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。


                九、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。



                十、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。


                十一、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。

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                十二、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。



                十三、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。

                图片
                十四、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

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                十五、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)。


                十六、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。


                十七、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)。


                十八、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.



                十九、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。


                二十、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Ψ关断开时,能量传送到次级。


                二十一、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)。


                二十二、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:
                1)施加在开关上的电压
                2)斩波和平滑输入输出电流
                3)绕组的利用率
                ■ 选择最佳的拓扑结构需要研究:
                1)输入和输出电压范围
                2)电流范围

                3)成本和性能、大小和重量◣之比





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