电源拓扑电路详解

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拓扑学的英文名是Topology,直译是地志学,也就是和研究地形、地貌相类似的有关学科。

拓扑学是几何学的一个分支,但是这种几何学又和通常的平面几何、立体几何不同。

通常的
平面几何或立体几何研究的对象是点、线、面之间的位置关系以及它们的度量性质。

拓扑学对于研究对象的长短、大小面积、体积等度量性质和数量关系都无关。

即不考虑图形的大小形状,仅考虑点和线的个数。

实质上拓扑学(TOPOLOGY)是一种研究与大小、距离无关的几何图形特性的方法。

电路的拓扑结构就是指电路中节点、支路、回路的数量,这些都反映了电路中各部分连接的
实质状况。

同一个拓扑结构可以画成几何形状不同的电路图
拓扑电路非常适用于DC-DC变换器。

每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。

因此,
要恰当选择拓扑,熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。

DC/ DC电源变换器的拓扑类型主要有以下13种:
(1)Buck Converter降压式变换器;
(2)Boost Conyerter升压式变换器;
⑶Buck —Boost Converter降压/升压式变换器,含极性反转(Inverting)式变换器;
(4)Cuk Converter升压,升压串联式变换器;
(5)SEPIC(S in gle En dcd Pdimary In ductor Con verter)单端一次侧电感式变换器;
(6)F1yback Converter反激式(亦称回扫式)变换器;
(7)Eorward Converter 正激式变换器:
(8)Double Switches Forward Converter 双开关正激式变换器;
(9)Active Clamp Forward Co nverter 有源箝位
(O)Half Bridge Converter 半桥式变换器;
(11)Full Bridge Converter 全桥式变换器;
(12)Push—pall Convener 推挽式变换器:
(13)Phase Shift Switchi ng ZVT(Phase Shift Switchi ng Zero Voltage Tran sitio n)
移相式零电压
开关变换器。

开关电源(直流变换器) 的类型很多,在研究开发或者维修电源系统时,全面了解开关
电源主回路的各种基本类型,以及工作原理,具有极其重要的意义。

开关电源拓扑主回路的组成:主回路(开关电源中,功率电流流经的通路)一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件,以及供电输入端和负载端。

一、常见电源拓扑介绍。

1、Buck Converter降压式变换器。

如图 1
Buck
降压
Vout = D Vin
图1 BUCK降压拓扑特点:a把输入降至一较低电压。

Load怕我(H)
b、输出总是小于或等于输入。

C 、输入电流不连续(斩波)。

d 、
输出电流平滑。

e 、 电感/电容滤波器滤平开关后的方波。

2、Boost Conyerter 升压式变换器。

如图 2
Boost
“ 1 .
Vout =方 Vm
图2 BOOST 升压拓扑
特点:a 、把输入电压升至一较高电压。

b 、 与降压所用器件一样,只是重新安排了电感、二极管、开关的位置。

c 、 输出总是大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。

d 、 输入电流平滑。

e 、 输出电流不连续(斩波)。

3、Buck — Boost Converter 降压/升压式变换器,含极性反转 (Inverting )式变换器;如图3
Buck-Boost
Vout
1 Load 盘载 i (R)
图3反相性开关变换拓扑 特点:a 、电感、开关、二极管的另一种
安排方案。

b 、 输入电流不连续(斩波),输出电流也不连续(斩波)。

c 、 输出总是和输入反相,但是幅度可以小于和大于输入。

4、F1yback Converter 反激式(亦称回扫式)变换器。

如图4
Flyback
反激 Load 蚀
{R)
Vln Vaul
LuadfR) 活

图4反激式拓扑
特点:a “反激”变换器实际上是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式。

b 、 如降压-升压一样工作,但电感有两个绕组,而且同时作为变压器和电感。

c 、 输出可以为正,也可以为负,由线圈和二极管的极性决定。

d 、 输出电压可以大于或小于输入电压,由变压器的匝数决定。

e 、 这是隔离拓扑结构中最简单的电路。

f 、 增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

5、Eorward Converter 正激式变换器。

如图 5
Forward
图5正激式拓扑
特点:a 降压电路的变压器耦合形式。

b 、 不连续的输入电流,平滑的输出电流。

c 、 由于采用变压器,输出可大于或小于输入,可以是任何极性。

d 、 增加绕组和电路可以有多路输出。

e 、 每个开关周期中必须对磁芯去磁, 通常的做法是增加一个和初级绕组匝数 相同
的绕组,在开关接通阶段存储在初级绕组中的能量,
在开关断开阶段通过另一个绕组和 二极
管泄放。

6、Double Switches Forward Converter 双开关正激式变换器。

如图 6
图6双正激式拓扑变换
特点:a 两个开关同时工作。

b 、 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。

c 、 每个开关上的电压永远不会超过输入电压。

d 、 无需对绕组磁通复位。

7、Push — pall Convener 推挽式变换器。

如图 7
VSn T wo-T ra ns is tor Forward
双晶休管正激
Q ------- i
«
Load (R)
负载
Push-Pull
推挽
图7推挽式拓扑
特点:a、开关(FET)的驱动不同相,进行PWM调制以调节输出电压。

b、良好的变压器磁芯利用率,在两个半周期中都传输功率。

c、全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

d、施加到FET的电压是输入电压的两倍。

8、Half Bridge Converter半桥式变换器。

如图8
Half-Bridge
E
O ------- ™
图8半桥式拓扑变换特点:a、较高功率变换器极为常用的拓扑结构。

b、开关(FET)的驱动不同相,进行PWM调制以调节输出电压。

c、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。

d、全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

e、施加在FET的电压与输入电压相等。

9 Full Bridge Converter全桥式变换器.如图9
图9全桥式拓扑
特点:a、较高功率变换器最为常用的拓扑结构。

b、开关(FET)以对角对的形式驱动,进行脉冲宽度调制以调整输出电压。

c、良好的变压器磁芯利用率,在两个半周期中都传输功率。

d、全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

e、施加在FET上的电压与输入电压相等。

f、在给定的条件下,初级电流是半桥的一半。

10、SEPIC(Si ngle En dcd Pdimary In ductor Con verter)单端一次侧电感式变换器。

如图10
SEPIC
(Single-E^2s<* Primary Inductor Converter)
(冲端初级电鹹变换然)
D'
如图10单端初级电感式变换拓扑
特点:a输出电压可以大于或小于输入电压。

b、与升压电路一样,输入电流平滑,但输出电流不连续。

c、能量通过电容从输入传至输出。

d、需要两个电感。

11、Cuk Converter升压,升压串联式变换器.如图11
C9uk
(By Slobodan C f uk)
(Slobodan C v uk的冬利)
图11 CUK拓扑
特点:a输出与输入反相。

b、输出电压幅度可以大于或小于输入电压。

c、输入、输出电流都是平滑的。

d、能量通过电容从输入传至输出。

e、需要两个电感,电感可以耦合获得零纹波电感电流。

二、DC-DC开关电源拓扑的分类。

根据主其回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

V*n fvwq u 厂LWj Vout
1.非隔离式电路的类型:
非隔离——输入端与输出端电气相通,没有隔离。

1.1.串联式结构。

串联一一在主回路中开关器件与输入端、输出端、电感器L、负载RL
四者成串联连接的关系。

开关管T 交替工作于通/断两种状态,当开关管T 导通时,输入端电源通过开关管T 及电感器L 对负载供电,并同时对电感器L 充电,当开关管T 关断时,电感器L 中的反向电动势使续流二极管D 自动导通,电感器L 中储存的能量通过续流二极管D 形成的回路,对负载R 继续供电,从而保证了负载端获得连续的电流。

串联式结构,只能获得低于输入电压的输出电压,因此为降压式变换。

例如buck 拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源。

1.2.并联式结构。

并联——在主回路中,相对于输入端而言,开关器件与输出端负载成并联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T对电感器L充电,同时续流二极管D关断,负载R靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时,续流二极管D 导通,输入端电源电压与电感器L 中的自感电动势正向叠加后,通过续流二极管D对负载R供电,并同时对电容器C充电。

并联式结构中,可以获得高于输入电压的输出电压,因此为升压式变换。

并且为了获得连续的负载电流,并联结构比串联结果对输出滤波电容C 的容量有更高的要求。

例如boots 拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。

1.3.极性反转型变换器结构(inverting )。

极性反转——输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是:在主回路中,相对于输入端而言,电感器L 与负载成并联。

(也是串联式开关电源的一种,一般又称为反转式串联开关电源)。

开关管T交替工作于通/断两种状态,工作过程与并联式结构相似,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T对电感器L充电,同时续流二极管D关断,负载RL靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时,续流二极管D导通,电感器L中的自感电动势通过续
流二极管D 对负载RL 供电,并同时对电容器C 充电;由于续流二极管D 的反向极性,使输出端获得相反极性的电压输出。

2.隔离式电路的类型:隔离——输入端与输出端电气不相通,通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量,输入输出完全电气隔离。

2.1.单端正激式single Forward Converter (又叫单端正激式变压器开关电源)。

单端---- 通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器。

正激式:就是只有在开关管导通的时候,能量才通过变压器或电感向负载释放,当开关关闭的时候,就停止向负载释放能量。

目前属于这种模式的开关电源有:串联式开关电源,buck 拓扑结构开关电源,激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。

反激式:就是在开关管导通的时候存储能量,只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能
量。

属于这种模式的开关电源有:并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变
压器开关电源。

正激变压器——脉冲变压器的原/付边相位关系,确保在开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边同时对负载供电。

所谓正激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时,变压器
的次级线圈正好有功率输出。

(正激式变压器开关电源是推免式变压器开关电源衍生过来的,推免式有两个控制开关,正激式改成一个开关控制。


2.2. 单端反激式Single F1yback Converter (单端反激式变压器开关电源)所谓反激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时,变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出,而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出,这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

反激式电路与正激式电路相反,脉冲变压器的原/付边相位关系,确保当开关管导通,
驱动脉冲变压器原边时,变压器付边不对负载供电,即原/付边交错通断。

脉冲变压器磁能
被积累的问题容易解决,但是,由于变压器存在漏感,将在原边形成电压尖峰,可能击穿开关器件,需要设置电压钳位电路予以保护。

从电路原理图上看,反激式与正激式很相象,表面上只是变压器同名端的区别,但电路的工作方式不同,
2.3.推挽Push pull (变压器中心抽头)式。

种电路结构的特点是:对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称关系,轮流通断,工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

主要优点:高频变压器磁芯利用率高(与单端电路相比)、电源电压利用率高(与后面要叙述的半桥电路相比)、输出功率大、两管基极均为低电平,驱动电路简单。

主要缺点:变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高(至少是电源电压的两倍)
2.4. 全桥式Full Bridge Converter 。

这种电路结构的特点是:由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

主要优点:与推挽结构相比,原边绕组减少了一半,开关管耐压降低一半。

主要缺点:使用的开关管数量多,且要求参数一致性好,驱动电路复杂,实现同步比较困难。

这种电路结构通常使用在
1KW 以上超大功率开关电源电路中。

2.5. 半桥式Half Bridge Converter 。

电路的结构类似于全桥式,只是把其中的两只开关管换成了两只等值大电容。

主要优点:具有一定的抗不平衡能力,对电路对称性要求不很严格;适应的功率范围较大,从几十瓦到千瓦都可以;开关管耐压要求较低;电路成本比全桥电路低等。

这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC 变换器,如电子荧光灯驱动电路中。

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