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# 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
2、Buck降压 & i4 W# X; e" e# T
■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 s3、Boost升压
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■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+ J4、Buck-Boost降压-升压
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■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
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■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
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■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
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■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
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■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。
3 U9 B% I9 ~+ F7 M9、Half-Bridge半桥
% 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 & h$ Z8 d# y6 c& L' Z
■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。
* L; X" S* h' O5 X; K11、SEPIC单端初级电感变换器 4 u. |4 D) G# G/ t, q
■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) 3 k% {6 R8 p% Y, m
■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
" `* A( v/ ]* C14、Buck-降压调整器-连续导电 % T/ A( [- V: X, a! [( c2 ^4 H
■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 3 `7 j; s5 R. x# \/ t/ y& N u
■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 a16、Buck-降压调整器-不连续导电
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
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■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:
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' n18、变压器工作(包括初级电感的作用) # j) F( O5 g0 N7 u* q% s
■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: z19、反激变压器
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■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% q20、Forward 正激变换变压器 0 n' K8 A" X; [8 n/ \
■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- T21、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 |