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如何在开关电源11种拓扑结构中做选择?

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gaosmile 发布时间:2020-3-10 14:41
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7 Z' E3 A& H5 G& F

# T0 ]7 j. c7 G& T6 T4 Z* ^    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。
0 x4 j8 v" z% i# K基本的脉冲宽度调制波形定义如下:; u% p3 q) C4 K- o* S( i7 {  P2 W
微信图片_20200310142922.jpg         
2、Buck降压
& i4 W# X; e" e# T
微信图片_20200310142925.jpg             ■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。
7 s* u% Z) t2 _: s% z' e7 V* b5 G7 s
3、Boost升压

- Q: O! j, t( _2 i( H+ E) N" H; h 微信图片_20200310142928.jpg             ■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)。
6 _0 a6 l" K8 E; L1 A+ J
4、Buck-Boost降压-升压

# L. |7 z% X) H: F7 @* H) p, l 微信图片_20200310142931.jpg             ■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。: g; |* p' h1 k1 w, Z6 l
5、Flyback反激
微信图片_20200310142936.jpg 4 v; X) c. L6 K# K) }8 L
            ■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。) l" y( E' ?! q; C
6、Forward正激

* c" R7 |# Y' A9 P( G  h+ t  V 微信图片_20200310142939.jpg             ■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。* s/ N0 ?# F- R; y3 h. b4 e- H
7、Two-Transistor Forward双晶体管正激

$ ^( r1 ^5 I9 M' |3 F 微信图片_20200310142942.jpg             ■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。" p9 M( N! L* r- p0 A- I
8、Push-Pull推挽

9 d' \3 y, Q) ^8 j9 X; H 微信图片_20200310142946.jpg             ■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。
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9、Half-Bridge半桥
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% n& x: W0 d+ A  ?( f$ _# ?* p            ■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。1 Q3 g3 y& K4 j
10、Full-Bridge全桥
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微信图片_20200310142951.jpg             ■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。
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11、SEPIC单端初级电感变换器
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微信图片_20200310142954.jpg             ■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。, {3 V* n0 ~, I
12、C’uk(Slobodan C’uk的专利)
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微信图片_20200310142957.jpg             ■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。% y' K* S2 S3 W) T7 r
13、电路工作的细节
2 y; A; P1 A* V# ?% B! |
    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
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14、Buck-降压调整器-连续导电
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微信图片_20200310143000.jpg             ■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)。! q, J2 a! A1 }- }2 r' v
15、Buck-降压调整器-临界导电
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微信图片_20200310143003.jpg             ■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。
2 y! |: c/ g  ^% x  x/ G9 a
16、Buck-降压调整器-不连续导电
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7 K4 T  D: W/ N: T2 C' j3 c+ h            ■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)。3 h/ p& q8 c$ N$ d  s) p5 e! e  B" C6 r
17、Boost升压调整器
微信图片_20200310143008.jpg 2 C! q6 }$ V- i5 i+ E2 ~: q
            ■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: 微信图片_20200310143011.jpg               在本例中,Vin = 5,    Vout = 15, and D = 2/3.    Vout = 15,D = 2/3.
% g3 W# n; d. u$ ^" Z* l6 l' n
18、变压器工作(包括初级电感的作用)
# j) F( O5 g0 N7 u* q% s
微信图片_20200310143014.jpg             ■变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。
$ _" R& C' R3 ^  F- U: z
19、反激变压器

3 ]" |7 i/ Q' O. t' R1 \ 微信图片_20200310143016.jpg             ■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。
3 z; b7 N# a- Q! H, [7 ?% [& x% q
20、Forward 正激变换变压器
0 n' K8 A" X; [8 n/ \
微信图片_20200310143019.jpg             ■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)。
2 R; ~7 O8 d+ H8 C- o1 y- s' Y$ r- T
21、总结
! T$ f" N+ B  R5 I, {) L0 ]
    ■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
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