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開關(guān)電源二十種拓撲結(jié)構(gòu)介紹

發(fā)布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：3115

什么是拓撲？所謂電路拓撲，就是電路中功率器件和電磁元件的連接方法，而磁性元件的設(shè)計、閉環(huán)補償電路的設(shè)計以及其他所有電路元件的設(shè)計都依賴于拓撲。最基本的拓撲有降壓（buck）、升壓（boost）和降壓/升壓（boost/buck）、非對稱反激（isolated flyback）、正向、推挽、半橋和全橋變換器。

開關(guān)電源拓撲有大約14種常見的拓撲，每一種都有自己的特點和適用場合。選擇的原則是看是大功率還是小功率，是高壓還是低壓輸出，元器件是否盡量少。

因此，要適當?shù)剡x擇拓撲，熟悉不同拓撲的優(yōu)缺點和應(yīng)用領(lǐng)域是非常重要的。錯誤的選擇會讓飲食設(shè)計從一開始就注定失敗。下面分別總結(jié)了20種基本的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，幫助系統(tǒng)掌握每種電路結(jié)構(gòu)的工作原理和基本特性。



一、20種開關(guān)電源拓撲對比


常見的基本拓撲結(jié)構(gòu)：
■ 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(diào)制波形


這些拓撲結(jié)構(gòu)都與開關(guān)式電路有關(guān)，基本的脈沖寬度調(diào)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(guān)后的方波
■ 輸出總是小于或等于輸入
■ 輸入電流不連續(xù) (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(guān)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(xù) (斬波)


五、Buck-Boost 降壓-升壓




特點：
■ 電感、開關(guān)和二極管的另一種安排方法
■ 結(jié)合了降壓和升壓電路的缺點
■ 輸入電流不連續(xù) (斬波)
■ 輸出電流也不連續(xù) (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(shù)比決定。
■ 這是隔離拓撲結(jié)構(gòu)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(xù)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(guān)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(shù)相同的繞組。
■ 在開關(guān)接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關(guān)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(guān)同時工作。
■ 開關(guān)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(dǎo)通。
主要優(yōu)點：
■ 每個開關(guān)上的電壓永遠不會超過輸入電壓。
■ 無需對繞組磁道復(fù)位。


九、Push-Pull 推挽




特點：
■ 開關(guān)（FET）的驅(qū)動不同相，進行脈沖寬度調(diào)制（PWM）以調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)。
■ 開關(guān)（FET）的驅(qū)動不同相，進行脈沖寬度調(diào)制（PWM）以調(diào)節(jié)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(yōu)于推挽電路。
■ 全波拓撲結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)。
■ 開關(guān)（FET）以對角對的形式驅(qū)動，進行脈沖寬度調(diào)制（PWM）以調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，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(xù)。
■ 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(jié)


下面講解幾種拓撲結(jié)構(gòu)的工作細節(jié)：
■ 降壓調(diào)整器：連續(xù)導(dǎo)電、臨界導(dǎo)電、不連續(xù)導(dǎo)電
■ 升壓調(diào)整器 (連續(xù)導(dǎo)電)
■ 變壓器工作
■ 反激變壓器
■ 正激變壓器

十五、Buck-降壓調(diào)整器-連續(xù)導(dǎo)電



特點：
■ 電感電流連續(xù)。
■ Vout是其輸入電壓 (V1)的均值。
■ 輸出電壓為輸入電壓乘以開關(guān)的負荷比 (D)。
■ 接通時，電感電流從電池流出。
■ 開關(guān)斷開時電流流過二極管。
■ 忽略開關(guān)和電感中的損耗, D 與負載電流無關(guān)。
■ 降壓調(diào)整器和其派生電路的特征是：
輸入電流不連續(xù) (斬波), 輸出電流連續(xù) (平滑)。


十六、Buck-降壓調(diào)整器-臨界導(dǎo)電




■ 電感電流仍然是連續(xù)的，只是當開關(guān)再次接通時 “達到”零，這被稱為 “臨界導(dǎo)電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以 D。


十七、Buck-降壓調(diào)整器-不連續(xù)導(dǎo)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(guān)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(diào)整器



■ 輸出電壓始終大于（或等于）輸入電壓。
■ 輸入電流連續(xù)，輸出電流不連續(xù)（與降壓調(diào)整器相反）。
■ 輸出電壓與負荷比（D）之間的關(guān)系不如在降壓調(diào)整器中那么簡單。在連續(xù)導(dǎo)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(lián)。


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(guān)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(guān)斷開后去磁 (電壓反向)。


二十二、總結(jié)


■ 此處回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓撲結(jié)構(gòu)。
■ 還有許多拓撲結(jié)構(gòu)，但大多是此處所述拓撲的組合或變形。
■ 每種拓撲結(jié)構(gòu)包含獨特的設(shè)計權(quán)衡：
1）施加在開關(guān)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[敏感詞]的拓撲結(jié)構(gòu)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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