相關開關電源拓撲結構及應用

什么是拓撲呢?所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設計，閉環(huán)補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。

下面簡單介紹一下常用的開關電源拓撲結構。

Buck電路

首先我們要講的就是Buck電路。

Buck電路也成為降壓(step-down)變換器。它的電路圖是下面這樣的：

晶體管，二極管，電感，電容和負載構成了主回路，下方的控制回路一般采用PWM(脈沖寬度調制)芯片控制占空比決定晶體管的通斷。

Buck電路的功能是把直流電壓Ui轉換成直流電壓Uo，實現(xiàn)降壓目的。

反激變換器

反激式開關電源是指使用反激高頻變壓器隔離輸入輸出回路的開關電源，與之對應的有正激式開關電源。

反激(FLY BACK)，具體是指當開關管接通時，輸出變壓器充當電感，電能轉化為磁能，此時輸出回路無電流;

相反，當開關管關斷時，輸出變壓器釋放能量，磁能轉化為電能，輸出回來中有電流。

反激式開關電源中，輸出變壓器同時充當儲能電感，整個電源體積小、結構簡單，所以得到廣泛應用。應用最多的是單端反激式開關電源。

優(yōu)點：元器件少、電路簡單、成本低、體積小，可同時輸出多路互相隔離的電壓;

缺點：開關管承受電壓高，輸出變壓器利用率低，不適合做大功率電源。

Boost電路

Boost(升壓)電路是最基本的反激變換器。Boost變換器又稱為升壓變換器、并聯(lián)開關電路、三端開關型升壓穩(wěn)壓器。

上面的圖就是Boost電路圖。Boost電路是一個升壓電路，它的輸出電壓高于輸入電壓。

Buck/Boost變換器

Buck/Boost變換器：也叫做升降壓式變換器，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但它的輸出電壓的極性與輸入電壓相反。Buck/Boost變換器可以看做是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開關管。它的電路圖如下：

上面提到的Buck和Boost電路，都是輸出與輸入共地，在電路上沒有隔離。采用變壓器后，輸出與輸入電氣隔離，可以多路輸出。而反激變換器是隔離變換器中最簡單的一種。它分為兩種工作模式，斷續(xù)模式反激變換器和連續(xù)模式反激變換器。隔離反激變壓器電路圖看下面!

在這里，隔離變壓器起到的作用就是變壓和儲能電感的作用。

正激變換器

晶體管導通時，將能量傳遞給負載，截止時靠輸出級LC電路維持的變換器成為正激變換器。它有單端正激和雙端正激變換器等多種模式。

單端正激變換器

首先看看原理圖：

單端正激變壓器又稱“buck”轉換器。因其在原邊繞組接通電源Vi的同時把能量傳遞到輸出端而得名。

雙端正激變換器

雙端正激也稱為非對稱橋，由兩個功率管和與兩個二極管組成電橋，但只有功率管可控導通，變壓器單向磁化，沒有橋式電路的橋臂直通問題，因此抗干擾能力強。

推挽變換器

這種電路結構的特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，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。

半橋式功率電路

當S1和S2輪流導通時，一次側將通過電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。同樣地，這個電路也相當于降壓式拓撲結構。

全橋功率電路

全橋功率變換器適用于大功率、高電壓場合，它的電路圖如下：

相關應用

Buck電路

Buck電路是降壓變換器，它主要應用于低壓大電流領域，目的是為了解決續(xù)流管的導通損耗問題。

采用一般的二極管續(xù)流，其導通電阻較大，應用在大電流場合時，損耗很大。

另外，用導通電阻非常小的MOS管代替二極管，可以解決損耗問題，但同時對驅動電路提出了更高的要求。

對Buck電路應用同步整流技術，用MOS管代替二極管后，電路從拓撲上整合了Buck和Boost兩種變換器，為實現(xiàn)雙向DC/DC變換提供了可能。

在需要單向升降壓且能量可以雙向流動的場合，很有應用價值，如應用于混合動力電動汽車時，輔以三相可控全橋電路，可以實現(xiàn)蓄電池的充放電。

反激變換器

(1) Boost電路

在實際應用中經常會涉及到升壓電路的設計，對于較大的功率輸出，如70W以上的DC/DC升壓電路，由于專用升壓芯片內部開關管的限制，難于做到大功率升壓變換，而且芯片的價格昂貴，在實際應用時受到很大限制。

考慮到Boost升壓結構外接開關管選擇余地很大，選擇合適的控制芯片，便可設計出大功率輸出的DC/DC升壓電路。

(2)Buck/Boost變換器

基本的非隔離和隔離Buck/Boost型變換器以其電路拓撲簡潔，輸入電壓范圍高，可升降壓，負載短路時可靠性高等優(yōu)點，廣泛應用于中小功率DC/DC變換場合。

正激變換器

雙端正激變換器克服了正激變換器中開關電壓應力高的缺點，每個開關管只需承受輸入直流電壓，不需要采用特殊的磁復位電路就可以保證變壓器的可靠磁復位。

它的每一個橋臂都是由一個二極管與一個開關管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的危險，可靠性高。

因此雙端正激變換器具有其他變換器無法比擬的優(yōu)點，成為目前中大功率變換器中應用最多的拓撲之一。

推挽變換器

推挽變換器是變換器中最早應用的拓撲，而且目前還在廣泛應用于DC/DC變換器和DC/AC逆變器。它的輸出可以高于或低于輸入直流電壓。

閉環(huán)的主輸出在電網(wǎng)和負載變化時可以維持輸出穩(wěn)定，從輸出可以很好地對電網(wǎng)變化進行調節(jié)。

半橋式功率電路

半橋變換器初級繞組電壓僅為輸入電壓的一般，如果與推挽相同輸出功率，初級電流比推挽大一倍，則需要更大電流定額的功率管。

半橋變換器適用于輸入電壓較高且中等輸出功率的場合，因為功率管上的電壓定額理想時是輸入直流電壓。

全橋功率電路

全橋功率變換器適用于大功率、高電壓場合。上面曾經指出，在半橋功率變換電路中工作的功率晶體管，承受的最高電壓比推挽變換電路中工作的晶體管減了1/2，但是，如果輸出功率要求相同的話，晶體管的工作電流將增大。

全橋功率變換電路則是一種既能保持半橋電路功率開關器件承壓低，又有推挽電路電流載流小特點的大功率變換電路。