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开关电源中11种拓扑结构，怎么挑选才能事半功倍？

电力电子技术与新能源
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11月前浏览287

开关电源中11种拓扑结构，怎么挑选才能事半功倍？

   

   
基本名词    
    常见的基本拓扑结构    
    ■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    
    ■Push-Pull推挽    
    ■Half Bridge半桥    
    ■Full Bridge全桥    
    ■SEPIC    
    ■C’uk    

1、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：    

   
       
            

2、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。    

3、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)。    

   

4、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。    

   

5、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。    

   

6、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。    

   

7、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。    
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8、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。    

   

9、Half-Bridge半桥


   
   
            
    ■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。    
    ■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。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。    

   

10、Full-Bridge全桥


   
       
            
    ■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。    
    ■开关（FET）以对角对的形式驱动，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 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。    

   

11、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。    

   

12、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。    

   

13、电路工作的细节


   
    下面讲解几种拓扑结构的工作细节    
    ■降压调整器：    
    连续导电    
    临界导电    
    不连续导电    
    ■升压调整器 (连续导电)    
    ■变压器工作    
    ■反激变压器    
    ■正激变压器    

   

14、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)。    

   

15、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。    

   

16、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)。    

   

17、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, and D = 2/3.    
    Vout = 15，D = 2/3.    

   

18、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。    

   

19、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。    

   

20、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)。    

   

21、总结


   
    ■此处回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。    
    ■还有许多拓扑结构，但大多是此处所述拓扑的组合或变形。    
    ■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    
来源：电力电子技术与新能源
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首次发布时间：2023-05-18
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