工程師不可不知的電源11種拓撲結構

基本名詞

電源常見的拓撲結構

■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

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：

1、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 (斬波)。

■輸出電流平滑。

2、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 (斬波)。

3、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 (斬波)。

■輸出電流也不連續 (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

特點

■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

特點

■降壓電路的變壓器耦合形式。

■不連續的輸入電流，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。

6、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

特點

■開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。

■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

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

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

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。

■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)

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。

12、C’uk(Slobodan C’uk的專利)

下面講解幾種拓撲結構的工作細節

■降壓調整器：

連續導電

臨界導電

臨界導電

■升壓調整器 (連續導電)

■變壓器工作

■反激變壓器

■正激變壓器

13、Buck-降壓調整器-連續導電

■電感電流連續。

■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 (斬波), 輸出電流連續 (平滑)。

14、Buck-降壓調整器-臨界導電

■電感電流仍然是連續的，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。

15、Buck-降壓調整器-不連續導電

■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)。

16、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，輸出電流不連續（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。在連續導電的情況下：

在本例中，Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3.Vout = 15，D = 2/3.

17、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。

18、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。

19、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)。

20、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：

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