開關(guān)電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與比較

2 非隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器

對(duì)于小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器(例如100W以下)，實(shí)際上用開關(guān)晶體管、開關(guān)二極管、電感、電容各一個(gè)，就可以組成一臺(tái)非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，是各種 DC/DC轉(zhuǎn)換器中最簡單的拓?fù)洹Ｆ渲麟娐返暮诵氖侨薖WM開關(guān)，它表示DC/DC轉(zhuǎn)換器PWM開關(guān)組合。開關(guān)晶體管、開關(guān)二極管和電感元件的不同組合，可以構(gòu)成降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓型(Buck-Boost)和升壓-降壓型(Boost -Buck)型4種DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器將輸入電壓變換成 0≤U0≤Ui 的穩(wěn)定輸出電壓，所以又稱降壓開關(guān)電源。圖1為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型電路。Ui 為輸入電源，通常為電池或電池組。S是主開關(guān)管，二極管D是輔助開關(guān)管，也稱為整流管，一般使用具有較低正向?qū)妷旱男ぬ鼗O管。S是由來自控制電路的脈沖信號(hào)控制開關(guān)。RL表示負(fù)載電阻。

圖1 降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

在一個(gè)開關(guān)周期中，首先，在控制電路作用下S導(dǎo)通，二極管因受反向偏壓而截止，電流由電池流經(jīng)S、電感L到電容C和負(fù)載。電感電流持續(xù)上升，電感儲(chǔ)能在增加，能量由電池傳送到電感并存儲(chǔ)在電感中;第二階段，控制電路使S截止，切斷電池和電感元件的連接，于是電感產(chǎn)生感生電動(dòng)勢使電流維持原來的流向，二極管 D導(dǎo)通，為電感電流構(gòu)成通路，電流由電感L流向電容C和負(fù)載，電感電流隨著時(shí)間而下降，能量由電感流向負(fù)載。

經(jīng)電感L、電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電壓Uo。為推導(dǎo)降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系，在主開關(guān)管S導(dǎo)通、二極管D截止時(shí)，忽略S管的正向?qū)▔航?整流管導(dǎo)通、主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，忽略二極管的壓降 ;忽略電感、電容的寄生電阻。因?yàn)橹挥性陂_關(guān)管導(dǎo)通期間，儲(chǔ)能電感 L的電流增加量和開關(guān)管截止期間儲(chǔ)能電感L中的電流減少量相等時(shí)，電路才達(dá)到平衡狀態(tài)，即在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感充放電伏秒積相等，因此：

D為占空比。改變D，輸出電壓Uo的平均值也就隨之改變。因此，當(dāng)負(fù)載及電網(wǎng)電壓變化時(shí)，可以通過閉合的反饋控制回路自動(dòng)地調(diào)整占空比D來使輸出電壓Uo維持不變。

2.2升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器將輸入電壓變換成較高的穩(wěn)定輸出電壓，又稱升壓開關(guān)電源。

如圖2是升壓型開關(guān)電源的典型電路。Ui 為輸入電源，S是主開關(guān)管，D是整流管。該電路的每個(gè)開關(guān)周期同樣可分為兩個(gè)階段：第一階段，S導(dǎo)通，忽略開關(guān)管的正向?qū)▔航担珼截止。此時(shí)，電感電流線性上升，能量從輸入電源轉(zhuǎn)換成磁場能存儲(chǔ)在電感L中，負(fù)載RL上得到的電壓由電容C提供;第二階段：S截止，電感電流 開始線性下降，能量由電感元件流向負(fù)載。經(jīng)電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電[!--empirenews.page--]

壓Uo。利用同樣的方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L的充放電伏秒積相等的原理，可以推導(dǎo)出電壓關(guān)系：

圖2 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

2.3降壓-升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這個(gè)電路的開關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。在S導(dǎo)通時(shí)，電流通過L平波，電源對(duì)L充電。當(dāng)S斷時(shí)，L向負(fù)載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓Ui加上UL，因而有升壓作用。

圖3是降壓-升壓型開關(guān)電源的典型電路。Ui 為輸入電源，S是主開關(guān)管，D是整流管。S在控制信號(hào)作用下在導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)間轉(zhuǎn)換。該電路的工作可簡單分析如下：第一階段，S導(dǎo)通，D截止，忽略開關(guān)管的正向?qū)▔航担藭r(shí)，電感電流線性上升，能量從輸入電源轉(zhuǎn)換成磁場能存儲(chǔ)在電感L中，此時(shí)負(fù)載得到的能量來自電容C;第二階段，D導(dǎo)通，S截止，電感電流開始線性下降，能量由電感元件流向電容和負(fù)載。經(jīng)電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電壓 Uo ，計(jì)算其平均值，推出降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系式：

式(3)中，若改變占空比D，則輸出電壓既可低于電源電壓，也可能高于電源電壓。

圖3 降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

2.4升壓-降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器

圖4是升壓-降壓型開關(guān)電源典型電路。升壓-降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本工作原理如下：

第一階段：S導(dǎo)通，D截止。在輸入回路，電流由電池流向電感L1和主開關(guān)管S，電感L1接收來自電池的能量，電感電流線性增加;在輸出回路，電容C1通過S對(duì)濾波電容C2、負(fù)載RL及L2放電，因此D受反向偏壓而截止，這時(shí)C1將能量轉(zhuǎn)移給L2。

第二階段：S截止，D導(dǎo)通。當(dāng)S截止時(shí)，在輸出回路，L2要維持電流方向不變，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢使D導(dǎo)通，于是能量由L2傳送到C2和負(fù)載RL;在輸入回路，電流由電池流經(jīng)電感L1、電容C1和二極管D，以前一階段的電感電流終值作為本階段的電流初值開始向藕合電容C1充電，隨著電容兩端電壓的增加，電感電流逐漸減少，能量由L1轉(zhuǎn)移到C1中。

升壓-降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系式同降壓-升壓型關(guān)系。升壓-降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路復(fù)雜，但紋波性能得到改善。若將兩電感繞在同一磁芯上，選擇合適的匝比、耦合系數(shù)等，可得到零紋波輸出。

圖4 升壓-降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

3 隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器

隔離式是指輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁耦合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。隔離式又可分為以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1單端反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器

開關(guān)電源電路中所謂的單端是指轉(zhuǎn)換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激是指當(dāng)功率調(diào)整管T導(dǎo)通時(shí)，變壓器N在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量;當(dāng)功率調(diào)整管T 截止時(shí)，變壓器N通過次級(jí)繞組向負(fù)載傳遞能量。即原/副邊交錯(cuò)通斷。這樣可以避免變壓器磁能被積累的問題，但是由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿調(diào)整管T，因此需要設(shè)置RCD緩沖電路。單端反激式DC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài)。

當(dāng)工作于電流連續(xù)模式時(shí)，單端正激式DC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。從電路原理圖上看，正激式與反激式很相似，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但工作過程不同。當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，變壓器N的初級(jí)和次級(jí)繞組同時(shí)導(dǎo)通，向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲(chǔ)存能量;當(dāng)T截止時(shí)，電感L通過二極管D1繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。

圖5 單端反激式DC/DC轉(zhuǎn)換電路

該電路的最大問題是：功率管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期，直至電感器飽和，可能會(huì)使功率調(diào)整管燒毀。

圖6 單端正激式DC/DC轉(zhuǎn)換電路

在輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下：

(5)

如果輸出電感電路電流不連續(xù)，輸出電壓UO將高于上式的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下：

(6)

3.3推挽式DC/DC轉(zhuǎn)換器

推挽式DC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只功率調(diào)整管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。

圖7 推挽式DC/DC轉(zhuǎn)換電路

主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)電路簡單。

該電路的主要缺點(diǎn)是：電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，變壓器繞組利用率低，對(duì)功率管的耐壓要求比較高。[!--empirenews.page--]

當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：

(7)

如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下：

(8)

3.4全橋式DC/DC轉(zhuǎn)換器

全橋式DC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由4只相同的調(diào)整管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變壓器的原邊。工作過程：互為對(duì)角的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)上的兩功率管交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為 的交流電壓，改變PWM占空比就可以改變輸出電壓。

圖8 全橋式DC/DC轉(zhuǎn)換電路

該電路使用的功率管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1kW以上超大功率開關(guān)電源電路中。

該電路的主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。

當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)：

(9)

如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下：

(10)

3.5半橋式DC/DC轉(zhuǎn)換器

半橋式DC/DC轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。由圖可以看出電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只調(diào)整管換成了兩只等值的大電容C1、C2。工作過程：T1和T2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為 的交流電壓，改變PWM的占空比就可以改變輸出電壓。

圖9 半橋式DC/DC轉(zhuǎn)換電路

主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格;適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十W到kW都可以;開關(guān)管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC轉(zhuǎn)換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。

(11)

如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式中的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載電流為零的極限情況下：

(12)

4 結(jié)論

開關(guān)電源主電路中轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)，在滿足性能要求的前提下還要綜合考驗(yàn)電源系統(tǒng)造價(jià)、性能指標(biāo)和輸入/輸出負(fù)載特性等因素。在所有實(shí)際應(yīng)用中，就電氣特性而言，沒有哪一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器是最佳的。換言之，不同的應(yīng)用，應(yīng)選取不同的最合適的轉(zhuǎn)換器。

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作者簡介

姚志樹(1978-)，男，江蘇鹽城市人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電源技術(shù)。