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开关电源拓扑结构概述(降压,升压,反激、正激)


主回路—开关电源中,功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件,以及供电输入端和负载端。

  开关电源(直流变换器)的类型很多,在研究开发或者维修电源系统时,全面了解开关电源主回路的各种基本类型,以及工作原理,具有极其重要的意义。

  开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1.
非隔离式电路的类型:
  非隔离——输入端与输出端电气相通,没有隔离。

1.1.
串联式结构

  串联——在主回路中开关器件(下图中所示的开关三极管T)与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

  开关管T交替工作于通/断两种状态,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电,并同时对电感器L充电,当开关管T关断时,电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通,电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路,对负载R继续供电,从而保证了负载端获得连续的电流。
       
上图是在图1-1-a电路的基础上,增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感,它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过,防止输入电压Ui直接加到负载R上,对负载R进行电压冲击,同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储,然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出;C是储能滤波电容,它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储,然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出;D是整流二极管,主要功能是续流作用,故称它为续流二极管,其作用是在控制开关关断期间Toff,给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。


在控制开关关断期间Toff,储能电感L将产生反电动势,流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出,通过负载R,再经过续流二极管D的正极,然后从续流二极管D的负极流出,最后回到反电动势eL的负极。
对于图1-2,如果不看控制开关T和输入电压Ui,它是一个典型的反
г 型滤波电路,它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。

串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为:



1.2.
并联式结构

  并联——在主回路中,相对于输入端而言,开关器件(下图中所示的开关三极管T)与输出端负载成并联连接的关系。
  开关管T交替工作于通/断两种状态,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T对电感器L充电,同时续流二极管D关断,负载R靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时,续流二极管D导通,输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后,通过续流二极管D对负载R供电,并同时对电容器C充电。
          

  由此可见,并联式结构中,可以获得高于输入电压的输出电压,因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流,并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。例如boots拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。
并联开关电源输出电压Uo为:

boots拓扑输出电压UoUo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 为占空比)


1.3.
极性反转型变换器结构(inverting

  极性反转——输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是:在主回路中,相对于输入端而言,电感器L与负载成并联(也是串联式开关电源的一种,一般又称为反转式串联开关电源)
          

  开关管T交替工作于通/断两种状态,工作过程与并联式结构相似,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T对电感器L充电,同时续流二极管D关断,负载RL 靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时,续流二极管D导通,电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电,并同时对电容器C充电;由于续流二极管D的反向极性,使输出端获得相反极性的电压输出

反转式串联开关电源输出电压Uo为:


由(1-27)式可以看出,反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比,与开关关断的时间成反比。

2.
隔离式电路的类型:

  隔离——输入端与输出端电气不相通,通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量,输入输出完全电气隔离。

2.1.
单端正激式 single Forward  Converter(又叫单端正激式变压器开关电源 )

单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器 (又叫单激)

双激式(双端)变压器开关电源:
所谓双激式变压器开关电源,就是指在一个工作周期之内,变压器的初级线圈分别被直流电压正、反激励两次。与单激式变压器开关电源不同,双激式变压器开关电源一般在整个工作周期之内,都向负载提供功率输出。双激式变压器开关电源输出功率一般都很大,因此,双激式变压器开关电源在一些中、大型电子设备中应用很广泛。这种大功率双激式变压器开关电源最大输出功率可以达300瓦以上,甚至可以超过1000瓦。推挽式、半桥式、全桥式等变压器开关电源都属于双激式变压器开关电源

单激式变压器开关电源普遍应用于小功率电子设备之中,因此,单激式变压器开关电源应用非常广泛。而双激式变压器开关电源一般用于功率较大的电子设备之中,并且电路一般也要复杂一些。
单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的激式变压器的体积大,因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲线的单端,磁回路曲线变化的面积很小

正激式:就是只有在开关管导通的时候,能量才通过变压器或电感向负载释放,当开关关闭的时候,就停止向负载释放能量。目前属于这种模式的开关电源有:串联式开关电源,buck拓扑结构开关电源,激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。

反激式:就是在开关管导通的时候存储能量,只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开关电源有:并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。

 

  正激变压器——脉冲变压器的原/付边相位关系,确保在开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边同时对负载供电。

所谓正激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出。(正激式变压器开关电源是推免式变压器开关电源衍生过来的,推免式有两个控制开关,正激式改成一个开关控制。)

U1是开关电源的输入电压,N是开关变压器,T是控制开关,L是储能滤波电感,C是储能滤波电容,D2是续流二极管,D3是削反峰二极管,RL是负载电阻。(对于加不加N3D3主要由设计者来决定,如果不加N3D3就得在变压器初级线圈N1的两端并联一个RC电路,用来吸收变压器产生的反激式输出能量,要么变压器初级线圈产生的反电动势非常高,很容易把电源开关管击穿。这个反激式能量很大,如果用RC电路来吸收,能量会白白的浪费掉,使开关电源的工作效率大大下降。因此,如果你不考虑工作效率,也可以不加N3D3,而加一个RC电路。

工作原理:开关管T导通时,D1也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管T截止时,电感L通过续流二极管D2 继续向负载释放能量。

 在上图中,需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反,上图就不再是正激式变压器开关电源了


  该电路的最大问题是:开关管T交替工作于通/断两种状态,当开关管关断时,脉冲变压器处于“空载”状态,其中储存的磁能将被积累到下一个周期,直至电感器饱和,使开关器件烧毁。图中的D3N3构成的磁通复位电路,提供了泄放多余磁能的渠道。

优点:1正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好。

2)正激式变压器开关电源的负载能力相对来说比较强,输出电压的纹波比较小。(说明正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好很多。)

 缺点1)电路中比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管

       2)正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。

       3)变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。(一般正激式变压器开关电源都设置有一个反电动势能量吸收回路,如的变压器反馈线圈N3绕组和整流二极管D3。由于反电动势电压高因此,正激式变压器开关电源在输入电压为交流220伏的设备中很少使用,或者用两个电源开关管串联来使用)


2.2.
单端反激式 Single F1yback Converter(单端反激式变压器开关电源
 
所谓反激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时,变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出,而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出,这种变压器开关电源称为反激式开关电源。
  工作原理:当开关K 关闭时,变压器初级N1有电流 Ip,并将能量储存于其中(e1 = L1di/dt =Ui 或者e1 = N1dф/dt = Ui).由于N1N2极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关K打开 时,由楞次定律 : (e = -N△Φ/△T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通


     
反激式变压器开关电源的输出电压为:

1-110)式中,Uo为反激式变压器开关电源的输出电压,Ui变压器初级线圈输入电压,D为控制开关的占空比,n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

 一、反激式转换器的优点有:
1.
电路简单比正反激式少用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管,因此,反激式的体积要比正激式变压器开关电源的体积小,且成本也要降低。且能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求.
2.
转换效率高,损失小.
3.
变压器匝数比值较小.
4.
输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85~265V.无需切换而达到稳定输出的要求.
二、反激式转换器的缺点有:
1.
电压和电流输出特性要比正激式变压器开关电源差
输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下.
2.
转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大.
3.
变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂.

2.3. 推挽 Push pull (变压器中心抽头)式

  这种电路结构的特点是:对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称关系,轮流通断,工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。
     

 主要优点:高频变压器磁芯利用率高(与单端电路相比)、电源电压利用率高(与后面要叙述的半桥电路相比)、输出功率大、两管基极均为低电平,驱动电路简单。

  主要缺点:变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高(至少是电源电压的两倍)。

2.4.
全桥式 Full Bridge Converter

  这种电路结构的特点是:由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。            、


  图中T1T4为一对,由同一组信号驱动,同时导通/关端;T2T3为另一对,由另一组信号驱动,同时导通/关端。两对开关管轮流通/断,在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。

  主要优点:与推挽结构相比,原边绕组减少了一半,开关管耐压降低一半。

  主要缺点:使用的开关管数量多,且要求参数一致性好,驱动电路复杂,实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

 

2.5. 半桥式 Half Bridge Converter

  电路的结构类似于全桥
式,只是把其中的两只开关管(T3T4)换成了两只等值大电容C1C2

  
  主要优点:具有一定的抗不平衡能力,对电路对称性要求不很严格;适应的功率范围较大,从几十瓦到千瓦都可以;开关管耐压要求较低;电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器,如电子荧光灯驱动电路中。

谐振式开关电源

在脉冲调制电路中,加入CL谐振电路,使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。
利用一定的控制技术,可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换,这样对缩小电源体积,增大电源控制能力,提高开关速度,改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为:
1
ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。
2
ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

  串并联谐振(SPRC,也叫LCC谐振)

 对于谐振变换来讲,串联谐振(SRC),并联谐振(PRC,以及串并联谐振(SPRC,也叫LCC谐振)是三种主要的流行拓扑结构。这三种拓扑的分析和设计已经非常系统。下面将研究这三种拓扑在前端变换中的应用。  

   DCDC电源变换器的拓扑类型

 

0 引言
    本文的第一部分为“DCDC电源变换器拓扑的分类”,第二部分是在参考美国TI公司资料的基础上撰写而成的,新增加了各种DCDC电源变换器的主要特点及PWM控制器的典型产品,另外还按照目标对电路结构、波形参数和汁算公式中的物理量作了统一。本文的特点足以表格形式归纳了常见DCDC电源变换器的拓扑结构.这对电源专业的广大技术人员是一份不可多得的技术资料。

1 DCDC电源变换器拓扑结构的分类
   
DCDC电源变换器的拓扑类型主要有以下13种:
    (1)Buck Converter
降压式变换器;
    (2)Boost Conyerter
升压式变换器;
    (3)Buck
Boost Converter降压/升压式变换器,含极性反转(Inverting)式变换器;
    (4)Cuk Converter
升压,升压串联式变换器;
    (5)SEPIC(Single Endcd Pdimary Inductor Converter)
单端一次侧电感式变换器;
    (6)F1yback Converter
反激式(亦称回扫式)变换器;
    (7)Forward Converter
正激式变换器:
    (8)Double Switches Forward Converter
双开关正激式变换器;
    (9)Active Clamp Forward Converter
有源箝位
    (0)Half Bridge Converter
半桥式变换器;
    (11)Full Bridge Converter
全桥式变换器;
    (12)Push pull Convener
推挽式变换器:
    (13)Phase Shift Switching ZVT(Phase Shift Switching Zero Voltage Transition)
移相式零电压开关变换器。

2 常见DCDC电源变换器的拓扑类型
   
常见DC/DC电源变换器的拓扑类型见表1~表3所列。表中给出不同的电路结构,同时也给出相应的电压及电流波形(设相关的电感电流为连续工作方式)PWM表示脉宽调制波形,U1为直流输入电压,UDS为功率丌关管S1(MOSFFT)的漏一源极电压。ID1S1的漏极电流。IF1D1的工作电流,U0为输出电压,IL为负载电流。T为周期,tUO呈高电平(或低电平)的时间及开关导通时间,D为占空比,有关系式:D=t/TC1C2均为输入端滤波电容,CO为输出端滤波电容,L1L2为电感。

 

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