干货 | 如何快速掌握11种开关电源拓扑结构?看这篇就够了!

2023年11月26日 22:24    发布者:刍狗
本文主要讲述常见的开关电源拓扑结构特点和优缺点对比。
常见的拓扑结构,包括Buck降压、Boost升压、Buck-Boost降压-升压、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward双晶体管正激等。
常见的基本拓扑结构
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:
常见的基本拓扑结构1、Buck降压

[*]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。

2、Boost升压
[*]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)。

3、Buck-Boost降压-升压

[*]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。

4、Flyback反激

[*]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。

5、Forward正激
[*]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买元器件现货上唯样商城!
[*]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。

6、Two-Transistor Forward双晶体管正激
[*]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。

7、Push-Pull推挽
[*]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。


8、Half-Bridge半桥
[*]较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
[*]开关的驱动不同相,进行脉冲宽度调制以调节输出电压。
[*]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。

9、Full-Bridge全桥
[*]较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
[*]开关以对角对的形式驱动,进行脉冲宽度调制以调节输出电压。
[*]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。

10、SEPIC单端初级电感变换器

[*]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。

11、C’uk(Slobodan C’uk的专利)

[*]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。

电路工作的细节下面讲解几种拓扑结构的工作细节。1、Buck-降压调整器-连续导电

[*]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)。

2、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。
3、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)。

4、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, D = 2/3.Vout = 15,D = 2/3。
5、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。
6、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。
7、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)。

结 语
本文回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。除此之外还有许多拓扑结构,但大多是这些拓扑的组合或变形。

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。