開關電源拓撲結構詳解

　　開關電源（直流變換器）的類型很多，在研究開發(fā)或者維修電源系統(tǒng)時，全面了解開關電源主回路的各種基本類型，以及工作原理，具有極其重要的意義。

　　開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

　　1. 非隔離式電路的類型：

　　非隔離——輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。

　　1.1. 串聯式結構

　　串聯——在主回路中開關器件（下圖中所示的開關三極管T）與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯連接的關系。

　　開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，當開關管T關斷時，電感器L中的反向電動勢使續(xù)流二極管D自動導通，電感器L中儲存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對負載R繼續(xù)供電，從而保證了負載端獲得連續(xù)的電流。

　　串聯式結構，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。例如buck拓撲型開關電源就是屬于串聯式的開關電源http://www.eetrend.com/blog/100019740

　　上圖是在圖1-1-a電路的基礎上，增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關K接通期間Ton限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負載R上，對負載R進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉化成磁能進行能量存儲，然后在控制開關T關斷期間Toff把磁能轉化成電流iL繼續(xù)向負載R提供能量輸出；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉化成電荷進行存儲，然后在控制開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續(xù)向負載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關關斷期間Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

　　在控制開關關斷期間Toff，儲能電感L將產生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載R，再經過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。

　　對于圖1-2，如果不看控制開關T和輸入電壓Ui，它是一個典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。

　　串聯式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

　1.2. 并聯式結構

　　并聯——在主回路中，相對于輸入端而言，開關器件（下圖中所示的開關三極管T）與輸出端負載成并聯連接的關系。

　　開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關斷，負載R靠電容器存儲的電能供電；當開關管T關斷時，續(xù)流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。

　　由此可見，并聯式結構中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負載電流，并聯結構比串聯結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓撲型的開關電源就是屬于并聯型式的開關電源。

　　并聯開關電源輸出電壓Uo為：

　　boots拓撲輸出電壓Uo：Uo=Ui（1+D/1-D）=Ui（1/1-D）（D 為占空比）

　　1.3.極性反轉型變換器結構（inverting）

　　極性反轉——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器L與負載成并聯。（也是串聯式開關電源的一種，一般又稱為反轉式串聯開關電源）

　　開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過程與并聯式結構相似，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關斷，負載RL 靠電容器存儲的電能供電；當開關管T關斷時，續(xù)流二極管D導通，電感器L中的自感電動勢通過續(xù)流二極管D對負載RL供電，并同時對電容器C充電；由于續(xù)流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。

　　反轉式串聯開關電源輸出電壓Uo為：

　　由（1-27）式可以看出，反轉式串聯開關電源輸出電壓與輸入電壓與開關接通的時間成正比，與開關關斷的時間成反比。

　　2. 隔離式電路的類型：

　　隔離——輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。

　　2.1. 單端正激式 single Forward Converte

r（又叫單端正激式變壓器開關電源 ）

　　單端——通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器；

　　正激式：就是只有在開關管導通的時候，能量才通過變壓器或電感向負載釋放，當開關關閉的時候，就停止向負載釋放能量。目前屬于這種模式的開關電源有：串聯式開關電源，buck拓撲結構開關電源，激式變壓器開關電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。

　　反激式：就是在開關管導通的時候存儲能量，只有在開關管關斷的時候釋放才向負載釋放能量。屬于這種模式的開關電源有：并聯式開關電源、boots、極性反轉型變換器、反激式變壓器開關電源。

　　正激變壓器——脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保在開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。

　　所謂正激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。（正激式變壓器開關電源是推免式變壓器開關電源衍生過來的，推免式有兩個控制開關，正激式改成一個開關控制。）

　　U1是開關電源的輸入電壓，N是開關變壓器，T是控制開關，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負載電阻。

　　在上圖中，需要特別注意的是開關變壓器初、次級線圈的同名端。如果把開關變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，上圖就不再是正激式變壓器開關電源了

　　該電路的最大問題是：開關管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關管關斷時，脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期，直至電感器飽和，使開關器件燒毀。圖中的D3與N3構成的磁通復位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。

　2.2. 單端反激式 Single F1yback Converter（單端反激式變壓器開關電源）

　　所謂反激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。

　　反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保當開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關器件，需要設置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

　　反激式變壓器開關電源的輸出電壓為：

　?。?-110）式中，Uo為反激式變壓器開關電源的輸出電壓，Ui變壓器初級線圈輸入電壓，D為控制開關的占空比，n為變壓器次級線圈與初級線圈的匝數比。

　　2.3. 推挽 Push pull （變壓器中心抽頭）式

　　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。

　　主要優(yōu)點：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅動電路簡單。

　　主要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。

　2.4. 全橋式 Full Bridge Converter

　　這種電路結構的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。　 　　　　　　　　　　

　　圖中T1、T4為一對，由同一組信號驅動，同時導通/關端；T2、T3為另一對，由另一組信號驅動，同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。

　　主要優(yōu)點：與推挽結構相比，原邊繞組減少了一半，開關管耐壓降低一半。

　　主要缺點：使用的開關管數量多，且要求參數一致性好，驅動電路復雜，實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。

　　2.5. 半橋式 Half Bridge Converter

　　電路的結構類似于全橋式，只是把其中的兩只開關管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。

　　主要優(yōu)點：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅動電路中。

DC／DC電源變換器的拓撲類型

　　0 引言

　　本文的第一部分為“DC／DC電源變換器拓撲的分類”，第二部分是在參考美國TI公司資料的基礎上撰寫而成的，新增加了各種DC／DC電源變換器的主要特點及PWM控制器的典型產品，另外還按照目標對電路結構、波形參數和汁算公式中的物理量作了統(tǒng)一。本文的特點足以表格形式歸納了常見DC／DC電源變換器的拓撲結構．這對電源專業(yè)的廣大技術人員是一份不可多得的技術資料。

　　1 DC／DC電源變換器拓撲結構的分類

　　DC／DC電源變換器的拓撲類型主要有以下13種：

　?。?）Buck Converter降壓式變換器；

　?。?）Boost Conyerter升壓式變換器；

　?。?）Buck—Boost Converter降壓/升壓式變換器，含極性反轉（Inverting）式變換器；

　?。?）Cuk Converter升壓，升壓串聯式變換器；

　?。?）SEPIC（Single Endcd Pdimary Inductor Converter）單端一次側電感式變換器；

　?。?）F1yback Converter反激式（亦稱回掃式）變換器；

　?。?）Forward Converter正激式變換器：

　　（8）Double Switches Forward Converter雙開關正激式變換器；

　?。?）Active Clamp Forward Converter有源箝位

　　（0）Half Bridge Converter半橋式變換器；

　?。?1）Full Bridge Converter全橋式變換器；

　?。?2）Push pull Convener推挽式變換器：

　?。?3）Phase Shift Switching ZVT（Phase Shift Switching Zero VoltageTransition）移相式零電壓開關變換器。

　2 常見DC／DC電源變換器的拓撲類型

　　常見DC/DC電源變換器的拓撲類型見表1～表3所列。表中給出不同的電路結構，同時也給出相應的電壓及電流波形（設相關的電感電流為連續(xù)工作方式）。PWM表示脈寬調制波形，U1為直流輸入電壓，UDS為功率丌關管S1（MOSFFT）的漏一源極電壓。ID1為S1的漏極電流。IF1為D1的工作電流，U0為輸出電壓，IL為負載電流。T為周期，t為UO呈高電平（或低電平）的時問及開關導通時間，D為占空比，有關系式：D=t/T。C1、C2均為輸入端濾波電容，CO為輸出端濾波電容，L1、L2為電感。