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[導讀]什么是拓撲呢?所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式,而磁性元件設計,閉環(huán)補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓),單端反激(隔離反激),正激、推挽、半橋和全橋變化器。開...


什么是拓撲呢?所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式,而磁性元件設計,閉環(huán)補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓),單端反激(隔離反激),正激、推挽、半橋和全橋變化器。


開關電源的拓撲結構,常見拓撲大約有14種,每種都有自身的特點和適用場合。選擇原則是要看是大功率還是小功率,高壓輸出還是低壓輸出,以及是否要求器件盡量少等。


因此,要恰當選擇拓撲,熟悉各種不同拓撲的優(yōu)缺點及適用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設計一開始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開關電源20種基本拓撲,幫助系統(tǒng)掌握每種電路結構的工作原理與基本特性。


一、20種開關電源拓撲對比

常見的基本拓撲結構:

■?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。


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


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


八、Two-Transistor Forward雙晶體管正激



特點:

■?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。


九、Push-Pull 推挽



特點:

■?開關(FET)的驅動不同相,進行脈沖寬度調制(PWM)以調節(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。



十、Half-Bridge 半橋



特點:

■?較高功率變換器極為常用的拓撲結構。

■?開關(FET)的驅動不同相,進行脈沖寬度調制(PWM)以調節(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。


十一、Full-Bridge 全橋



特點:

■?較高功率變換器最為常用的拓撲結構。

■?開關(FET)以對角對的形式驅動,進行脈沖寬度調制(PWM)以調節(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。


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構的工作細節(jié):

■?降壓調整器:連續(xù)導電、臨界導電、不連續(xù)導電

■?升壓調整器 (連續(xù)導電)

■?變壓器工作

■?反激變壓器

■?正激變壓器


十五、Buck-降壓調整器-連續(xù)導電


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。


十七、Buck-降壓調整器-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)。


十八、Boost 升壓調整器


■?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)(與降壓調整器相反)。

■?輸出電壓與負荷比(D)之間的關系不如在降壓調整器中那么簡單。在連續(xù)導電的情況下:



在本例中,Vin = 5,Vout = 15, 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。


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”,使磁芯在初級開關斷開后去磁 (電壓反向)。


二十二、總結

■?此處回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。

■?還有許多拓撲結構,但大多是此處所述拓撲的組合或變形。

■?每種拓撲結構包含獨特的設計權衡:

1)施加在開關上的電壓

2)斬波和平滑輸入輸出電流

3)繞組的利用率

■?選擇最佳的拓撲結構需要研究:

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


END
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