【精品】电源转换器的种类

3、电源转换器的种类(TYPESOFPOWERCONVERTERS）3。

0各类转换器定义与原理(DEFINITIONSANDDIMENSIONING)虽然有很多作者与研究人员创造研究出很多种类的转换器电路，但是追根究底还是可归纳出三种最基本的电路出来，第一种称为“返驰式（flyback）”或者称为“buck—boost”型式,第二种称为“顺向式（forward)”或者称为“buck”型式，第三种称为“推挽式（push-pull)”或是称为“buck-derived”型式，在图3-1中，就是返驰式转换器的基本电路模型,其操作原理说明如下。

在图3—1（a)中，当电路中的开关S关闭时,电流就会流经电感器L，并将能量储上就没存于其中,由于电压极性的关系，二极体D是在逆向偏压状态，此时负载电阻RL有电压输出，当开关S打开时，如图图3—1（b)所示，此时由于磁场的消失,电感器L呈逆向极性，二极体D为顺向偏压，环路中则有IC 感应电流产生，因此负载RL上的输出电压其极性正好与输入电压相反，由于开关ON/OFF的作用,使得电感器的电流交替地在输入与输出间，连续不断的改变其方向，不过这二者电流都是属于脉动电流形式,所以在buck-boost转换器电路中，当开关是在导通周期时，能量是储存于电感器里，反之，当开关是在打开(OFF）周期时，能量会转移至负载上.在图3-2为顺向转换器基本电路型式，其操作原理说明如下，当开关S关闭时,电流就会顺向地流经电感器L，此时在负载上就会有带极性的输出电压产生，如图3-2(a）所示，由于输入电压极性的关系，二极体D此时是在逆向偏压状态。

如图3—2（b）所示，当开关S打开时，电感器L会改变磁场，二极体D则为顺向偏压状态，因此在电容器C中就会有电流流过，因此在负载RL上输出电压的极性仍是相同的，一般我们称此二极体D为“自由转轮（free—wheeling)"或“飞轮(flywheel)”二极体。

由于此种转换动作,使得输出电源是一种连续形式而非脉动电流形式,相对的由于开关S在ON/OFF之间改变，所以输入电流则为不连续形式，也就是所谓的脉动电流形式.最后在图3—3中则为推挽式转换器的基本电路型式，其实它是由二个顺向转换器的电路所组成，操作于互相推挽的动作状态，开关S1与S2互相在ON/OFF状态间互相交换，此种电路一般也称之为buck-derived。

3。

1隔离返驰式转换器（THEISOLATEDFLYBACKCONVERTER)在图3—1中的返驰式转换器,其输入与输出间，并没有安全的隔离装置，一般在转换式电源供给器里常用的隔离组件是变压器（transformer）。

更正确的来说，虽然在电路图中出现是变压器形式，但是其动作状态却是扼流圈(choke）形式，因此我们亦可直呼为变压器—扼流圈(transformer-choke）。

在图3—4所示的电路为隔离返驰式转换器（isolatedflybackconverter）与其稳态的电路波形。

电路的操作原理如下说明，当电晶体Q1导通时，变压器的初级绕组渐渐地会有初级电流流过，并将能量储存于其中，由于变压器-扼流圈的输入与输出绕组,其极性是相反的，因此二极体被逆向偏压,此时没有能量转移至负载。

当电晶体不导通时，由于磁场的消失导致绕组的极性反向，此时二极体D会被导通，输出电容器C会被充电，负载RL 上有IL电流流过.由于此种隔离组件的动作就像是变压器与扼流圈,因此在返驰式转换器输出部分,就不需要额外的电感器了，但是在实际电路应用中，为了抑制高频的转换杂讯波尖，我们还是会在整流器与输出电容器之间加装小型的电感器。

3.1。

1返驰式转换器交换电晶体(TheFlybackConverterSwitchingTransistor ）在返驰式转换器中所使用的转换电晶体，必须考虑二个因素就是电晶体在OFF 时的峰值集极电压大小与电晶体转换成ON 时的峰值集极电流大小。

此峰值集极电压乃电晶体在转换成OFF 状态时，所需要承受的电压大小maxmax 1δ-=in CE V V （3—1) 在此V in 为直流输入电压，δmax 为最大工作周期.因此公式3—1,就是告诉我们选择使用转换电晶体时，为了避免其受损坏，必须考虑的集极电压值大小。

因此相对地工作周期就必须保持在低值范围，也就是δmax 〈0.5，在实际的应用中，大都是取δmax 为0。

4，如此峰值集极电压就限制在V CE.max ≤2。

2V in ，所以非线上的返驰式转换器设计，其电晶体一般我们选择能有800V 左右的工作电压即可。

另一项要设计选择的就是电晶体在ON 时的集极工作电流,也就是nI I L C =(3-2） 在此I L 为变压器—扼流圈的初级峰值电流，n 是初级对次级的圈数比。

我们亦可用转换器的输出功率与输入电压，来表示集极的峰值工作电流，其公式导出如下,在扼流圈中能量转移的公式可表示如下式η⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T LI P L out 22（3-3）在此η(eta ）为转换器的效率.在变压器—电感器的电压可表示成dtLdi V in =(3-4) 如果我们假设di ＝I L ，而且1/dt ＝f/δmax ，则公式3—4可重写为max δfLI V L in =(3-5） 或是fI V L L in max δ=（3—6) 将公式3-6代入公式3-3中,我们可得到L in L L in out I V fI I f V P max 2max 212δηηδ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=3-7) 现在，再将公式3—7代入公式3-2中，就可得到电晶体的工作电流可用输出功率与输入电压来表示—8） 在此假设转换器的效率为0.8（80％），工作周期为δmax ＝0.4(40％)，则公式3—8可简化为3-9)3.1。

2返驰式转换器变压器－－扼流圈（TheFlybackConverterTransformer—Choke）由于返驰式转换器的变压器－－扼流圈，其仅在B—H特性曲线的单一方向来做转换运动，因此在设计变压器－－扼流圈时，不可设计于饱和工作状态,在第五章我们会有较详细的分析与设计。

毫无疑问的所使用的铁心（core）,需有较大的体积并且有空气间隙(airgap）。

有效的变压器－－扼流圈的体积大小为在此I L。

max:由负载电流所决定μ0：空气导磁率μe：铁心材料的相对导磁率（permeability）B max：铁心的最大磁通密度我们在选择相对导磁率时，必须选择足够大，以避免铁心会有温度升高的情形发生，也由于对铁心与绕线尺寸大小的限制，因此会产生钢损失与铁心损失(copperandcorelosses)。

3。

1.3基本返驰式转换器的变压型式(VariationsoftheBasicFlybackConverter）当我们提到基本的返驰式电路时，转换电晶体在转换成不导通（turn-off）状态时,其集极电压必须承受至少二倍的输入电压.因此对商业上使用图3—5的电路，它是由二个电晶体所组成的返驰式转换器电路.此二个电晶体在ON或OFF状态时，会同时一起作用，二极体D1与D2的动作就如定位二极体(clampingdiodes）能够限制电晶体的最大集极电压至V in值，因此在选用电晶体时，就可采用耐集极电压值低的电晶体，但是线路就必须额外使用Q2，D1，D2这三个组件了。

使用返驰式电路的优点就是非常简单,因此对转换式电源供给器来说,它可达到多重输出的目的,此乃隔离组件对所有的输出,其动作状态就如一个共有的扼流圈。

因此对每一个输出部份，仅需用到二极体与电容器即可，图3—6,就是一个实际的电路.3.2隔离顺向式转换器（THEISOLATEDFORW ARDCONVERTER）乍看之下，隔离顺向式转换器（isolatedforwardconverter)的电路与返驰式转换器的电路,似乎有几分相似，但是实际研究它，此二电路之间在原理操作上还是有明显的不同，在图3—7所示,就是基本的顺向式转换器电路，与电路波形。

由于顺向式转换器中所使用的隔离组件，乃是一个真正的变压器,因此为了获取正确有效的能量转移,必须在输出端有电感器，做为次级感应的能量储存组件.而变压器的初级绕组与次级绕组（primaryandsecondarywindings)有相同之极性，如图中所示的圆圈符号，此电路的操作原理如下：当电晶体Q1于ON的状态时，初级绕组渐渐会有电流流过,并将能量储存于其中，由于变压器次级绕组有相同的极性，此能量就会顺向转移至输出，且同时经由顺向偏压二极体D2，储存于电感器L中,此时的二极体D3为逆向偏压状态.当电晶体Q1转换成OFF状态时,变压器的绕组电压会反向，D2二极体此时就处于偏压的状况,此时飞轮二极体(flywheeldiode）D3则为顺向偏压，在输出回路上有导通电流流过，并经由电感器L,将能量传导至负载上。

变压器上的第三个绕组与二极体D 1互相串联在一起，可达到变压器消磁（demagnetization ）作用，如此可避免当电晶体Q 1于OFF 时，变压器的磁能会转回至输入直流汇流排上。

在图3-7的波形中有黑色部份的区域,乃为磁化-消磁电流(magnetizing-demagnetizingcurrent)LV T I in mag max δ=（3-11) 在此T δmax 为Q 1电晶体ON 时的周期，L 为输出电感值（微亨利μH)。

3。

2.1顺向式转换器交换电晶体(TheForwardConverterSwitchingTransistor)在图3—7中，由于变压器的第三个绕组与二极体D 1的作用,因此Q 1电晶体OFF 时，其集极电压被限制为in CE V V 2max =(3-12）我们由波形中亦可得知集极的峰值电压2V in ，恰为D 1二极体在导通之时刻，其导通周期为T δmax 。

我们再来看看图中的波形，当电晶体在ON 时,集极电流值的大小,就相当于返驰式转换器的集极电流值，再加上净磁化电流值，因此，集极的峰值电流，可写成下式LV T n I I in L C max δ+=(3-13) 在此n ：初级对次级的圈数比I L ：输出电感器的电流，AT δmax ：电晶体ON 时的周期L ：输出电感器,μH吾入得知nV V in out max δ=(3-14) 可是max δoutin nV V =(3-15)因此公式3—13可改写为LnTV n I I out L C +=（3—16) 假设磁化电流部份（nTV out )/L 与集极峰值电流比较下其值非常小，可予以忽略，此时I C 电流值的大小就与3-1-1节所导出来的I C 值相同inout L C V P n I I 2.6==（3—17)3.2。