本文主要講述常見的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)缺點對比。

常見的拓撲結(jié)構(gòu)，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。

一、基本的脈沖寬度調(diào)制波形

這些拓撲結(jié)構(gòu)都與開關(guān)式電路有關(guān)。

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(jié)構(gòu)

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(guān)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(guān)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(guān)和二極管的另一種安排方法。

結(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關(guān)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(guān)同時工作。

開關(guān)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(guān)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(guān)（FET）的驅(qū)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

開關(guān)的驅(qū)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

開關(guān)以對角對的形式驅(qū)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(guān)的負荷比（D）。

接通時，電感電流從電池流出。

開關(guān)斷開時電流流過二極管。

忽略開關(guān)和電感中的損耗，D與負載電流無關(guān)。

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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)斷開后去磁（電壓反向）。

結(jié) 語

本文回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓撲結(jié)構(gòu)。除此之外還有許多拓撲結(jié)構(gòu)，但大多是這些拓撲的組合或變形。

每種拓撲結(jié)構(gòu)包含獨特的設(shè)計權(quán)衡：施加在開關(guān)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(jié)構(gòu)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。

責任編輯：haq