干貨！常見開關電源拓撲結構特點和優(yōu)缺點對比
[導讀]本文主要講述常見的開關電源拓撲結構特點和優(yōu)缺點對比。常見的拓撲結構，包括Buck降壓、Boost升壓、Buck-Boost降壓-升壓、Flyback反激、Forward正激、Two-TransistorForward雙晶體管正激等。常見的基本拓撲結構一、基本的脈沖寬度調(diào)制波形這些...
本文主要講述常見的開關電源拓撲結構特點和優(yōu)缺點對比。
常見的拓撲結構，包括Buck降壓、Boost升壓、Buck-Boost降壓-升壓、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward雙晶體管正激等。
常見的基本拓撲結構一、基本的脈沖寬度調(diào)制波形
這些拓撲結構都與開關式電路有關。
基本的脈沖寬度調(diào)制波形定義如下：
二、常見的基本拓撲結構
1、Buck降壓
- 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。
2、Boost升壓
- 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)。
3、Buck-Boost降壓-升壓
- 電感、開關和二極管的另一種安排方法。
- 結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。
4、Flyback反激
- 如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，而且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。
- 這是隔離拓撲結構中最簡單的。
- 增加次級繞組和電路可以得到多個輸出。
5、Forward正激
- 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。
- 在開關接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。
6、Two-Transistor Forward雙晶體管正激
- 兩個開關同時工作。
- 開關斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導通。
- 主要優(yōu)點：每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓；無需對繞組磁道復位。
7、Push-Pull推挽
- 開關(FET)的驅動不同相，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。
- 全波拓撲結構,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。
8、Half-Bridge半橋
- 較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
- 開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調(diào)制以調(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。
- 全波拓撲結構,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。
9、Full-Bridge全橋
- 較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
- 開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調(diào)制以調(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。
- 全波拓撲結構，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。
10、SEPIC單端初級電感變換器
- 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。
11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)
- 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。
三、電路工作的細節(jié)
下面講解幾種拓撲結構的工作細節(jié)。
1、Buck-降壓調(diào)整器-連續(xù)導電
- 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的負荷比(D)。
- 接通時，電感電流從電池流出。
- 開關斷開時電流流過二極管。
- 忽略開關和電感中的損耗，D與負載電流無關。
- 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)。
2、Buck-降壓調(diào)整器-臨界導電
電感電流仍然是連續(xù)的，只是當開關再次接通時“達到”零。這被稱為“臨界導電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以D。
3、Buck-降壓調(diào)整器-不連續(xù)導電
- 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)。
4、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)之間的關系不如在降壓調(diào)整器中那么簡單。在連續(xù)導電的情況下：
在本例中，Vin = 5,?Vout = 15, D = 2/3.Vout = 15，D = 2/3.
5、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)。
6、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。當初級開關斷開時，能量傳送到次級。
7、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”，使磁芯在初級開關斷開后去磁(電壓反向)。
結 語
本文回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。除此之外還有許多拓撲結構，但大多是這些拓撲的組合或變形。
每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：施加在開關上的電壓，斬波和平滑輸入輸出電流，繞組的利用率。
選擇最佳的拓撲結構需要研究：輸入和輸出電壓范圍，電流范圍，成本和性能、大小和重量之比。
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