【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R

L

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I

C 感应电流产生，因此负载R

L

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R

L

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S

1与S

2

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Q

1

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R

L 上有I

L

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

max

max 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

n

I 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

dt

Ldi 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 δf

LI V L in =(3-5） 或是f

I 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