电源变换器电路拓扑.

POWERSUPPLYTOPOLOGIES(电源变换器电路拓扑）简介第1篇：常用开关变换器电路拓扑：1、BUCK电路（降压变换器）2、BOOST电路（升压变换器）3、BUCK-BOOST电路（降压-升压变换器）4、SEPIC电路（隔离型的升压-降压变换器）5、FLYBACK电路（反激式变换器）6、FORWARD电路（正激式变换器）7、2SWITCHFORWARD电路（双开关正激式变换器）8、ACTIVECLAMPFORWARD电路（有源钳位正激变换器）9、HALFBRIGE电路（半桥式变换器）10、PUSHPULL电路（推挽式变换器）11、FULLBRIGE电路（全桥式变换器）12、PHASESHIFTZVT电路（移相全桥软开关变换器）绪言：开关电源在各个领域应用非常广范：邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等。随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的变换技术、新的控制理论及新的软件应用到开关电源的缘故，使开关电源的设计更上一层楼，达到频率高、效率高、功率密度高、功率因素高、可靠性高。但同时开关电源也遇到更多问题和实际的要求：能否全面贯彻电磁兼容各项标准；能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产；能否组建大容量电源；电气额定值能否更高（如PF值）或更低（如Vout)；能否使外形更加小形化适应使用场所的要求。为了能够更好选用开关电源的电路拓扑，下面介绍一些常用开关变换器的电路拓扑以供参考。第1节：BUCK电路（降压变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极体的电流6、续流二极体的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理1、当Q1导通时→IL线性增加，D1截止→此时IL和C向负载供电，当IL＞Io时IL向C充电也向负载供电2、当Q1截止时→L通过D1形成续流回路，IL向C充电也向负载供电当IL﹤Io时C向负载供电三、电路主要的概念与关系式1、电感电流连续与不连续：Lc=(1-D)*R*Ts/2（Lc:临界电感）看成是一个有低通滤波器的电压斩波器2、具有降压作用Vo﹤Vs3、在连续状态下Vo与负载R无关4、在不连续状态下Vo由R和D决定四、电路的优点1、通过调节D的大小，可以得到不同的输出电压；2、电路结构简单。五、电路的缺点1、输入电流是脉动，电源与变换器的输入端需加滤波器；2、在不连续状态下，在一定的Pin下Is峰值电流大，Q1和D1必须具有较高的峰值电压和电流。二、工作原理：1、当Q1导通时→IL线性增加，D1截止此时Co向负载供电2、当Q1截止时→VL和VS串联，以高于VO的电压向C充电同时向负载供电，此时D1导通三、电路的性质特点1、由于VL+VS向负载供电，VO大于VS具有升压作用2、在连续状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随L的增大而减小3、在不连续状态下，Q1和D1的峰值电流大，同时输出纹波也增加；当L的电流下降为0时，只有C向负载供电，要求较大的电容C才能使纹波小4、利用电感L作为传送能量的元件第2节：BOOST电路升压变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、输入与输出电压关系3、开关管的最大电流4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极管的电流6、续流二极管的反向工作电压7、工作波形时序图四、适用的场合：1、APFC电路2、低、中功率的变换器第3节：BUCK-BOOST电路（降压-升压变换器、反号器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极体的电流6、续流二极体的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理：1、当Q1导通时→IL线性增加，D1截止此时Co向负载供电2、当Q1截止时→L通过D1、Co形成续流回路，同时向负载供电，此时D1导通三、电路的性质特点：1、通过调节开关占空比D的大小，得到需要的输出电压（可升降压）2、在连续状态下，输入输出电流是脉动的，输出纹波电流随L的增大而减小3、在不连续状态下，Q1和D1的峰值电流大，同时输出纹波也增加；当L的电流下降为0时，只有C向负载供电，要求较大的电容C才能使纹波小4、利用电感L作为传送能量的元件四、电路的优缺点1、电压增益可升压或降压是它的主要优点2、它的应用电路稍显复杂，输入输出电流是脉动的，为了平波要加滤波器3、Q1的驱动不共地，会使线路构成复杂化，元件增加第4节：SEPIC电路（隔离型的升压-降压变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极管的电流6、续流二极管的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理1、当Q1导通时→IL1线性增加，C通过Q1和L2放电，此时D1载止Co放电向负载供电2、当Q1截止时→L1通过C、D1、Co形成续流回路，同时L2通过D1、Co形成续流回路→这两个续流回路也向负载供电三、电路的特点：1、输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感L1和L2的值，可使交流纹波电流的值为任意的小2、不需要再附加输入/输出的抗电磁干扰的滤波器3、通过调节开关占空比D的大小，得到需要的输出电压（可升降压）4、主要的能量转换元件是电容C，同时起到输入和输出隔离的作用5、电路拓扑较佳，但并不广为使用，原因是能量转换电容C需要耐受极大的纹波电流，这样电容的成本高，可靠性也稍差一些四、适用场合1、常见用在USB外设电源，可以先升压再降压的办法，2、适合应用在需要多种输出电压的场合；3、用在低电压，小功率的变换器第5节：FLYBACK电路（反激式变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流6、整流二极体的反向工作电压7、工作波形时序图一、工作原理：1、当Q1导通时→ILNP线性增加，变压器一次侧储能，Co放电向负载供电，此时D1载止2、当Q1截止时→变压器一次侧储存的能量通过二次侧泄放，此时LNS通过D1向Co充电并负载供电二、电路特点1、开关管的电压应力（VDS）实际应用上，由于开关变压器一次侧漏感的存在开关管的电压应力会大于Vin+Vout*(Np/Ns)，对开关的选择要求高2、输入输出电流是脉动的，输入输出电路都要加相应的滤波回路3、电路结构简单，通过控制占空比D的大小（一般小于0.48）得到不同的输出电压4、开关变压器起变压与扼流圈的作用，在输出部分不需要额外的电感器，但在实际应用中为了抑制高频的转换杂讯，要加小型的电感器5、变压器的B-H特性曲线在单一方向来做转换（Ⅱ类磁工作状态），铁芯需较大的尺寸和相应的空气间隙三、适用场合：适用在中、小功率的变换器，我们公司的自制ADAPTER、自制PWPC板其中DC-DC回路均采用此电路架构。第6节：FORWARD电路（正激式变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极管平均电流6、整流二极管的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理：1、当Q1导通时→ILNP线性增加变压器磁芯储能，同时通过二次侧向输出回路转送能量；此时D1导通D2截止ILNS向L和Co储能并向负载供电2、当Q1截止时→变压器一次侧漏感储存的能量通过D3、泄放绕组和Q1的结电容进行泄放；此时L通过飞轮二极体D2续流、Co放电，这两回路向负载供电三、电路特点：1、开关管的电压应力（VDS）高，达到2倍Vin对开关管选择要求高2、输入电流是脉动的，输出电流是连续，适当选取L感量可使输出纹波电流较小3、通过控制占空比D的大小得到不同的输出电压4、对输出滤波电容的要求低5、开关变压器的工艺结构稍显复杂6、使用正激变压器，初次级绕组有相同的极性7、为了使能量有效转移，在输出端要有储能电感8、变压器的B-H特性曲线在单一方向来做转换（Ⅱ类磁工作状态），铁芯需较大的尺寸和相应的空气间隙9、占空比D要小于0.5，若大于0.5将会破坏磁芯伏特-秒积分作用的平衡，使变压器趋于饱和产生极高的开关电流破坏开关管10、第三绕组要与初级绕组紧密绕制，可减少由漏感产生的致命的电压波尖四、适用场合：适用在低、中功率的变换器，受开关管的电压应力和峰值电流的限制，一般Pout在200W以下第7节：2SWITCHFORWARD电路（双开关正激式变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流6、整流二极体的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理：1、当Q1、Q2导通时→ILNP线性增加变压器磁芯储能，同时通过二次侧向输出回路转送能量；此时D1导通D2截止ILNS向L和Co储能并向负载供电2、当Q1、Q2截止时→变压器一次侧漏感储存的能量通过D3、泄放绕组和Q1的结电容进行泄放；此时L通过飞轮二极体D2续流、Co放电，这两回路向负载供电三、电路特点：1、两个开关管同时ON或OFF，开关管所承受的电压应力不会超过VIN（由于二极体D1、D2钳位作用）2、其它特点与单管正激式转换器相同四、适用场合：1、适用在中、小功率的变换器2、可应用于多路输出，但每路输出部份都要有额的飞轮二极体和扼流圈第8节：ACTIVECLAMPFORWARD电路（有源钳位正激变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流6、整流二极体的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理：1、当Q1导通、Q2截止时→ILNP线性增加变压器磁芯储能，同时通过二次侧向输出回路转送能量；此时D1导通D2截止ILNS向L和Co储能并向负载供电2、当Q1截止、Q2导通时→变压器一次侧漏感储存的能量通过Q2、C1进行泄放；此时L通过飞轮二极体D2续流、Co放电，这两回路向负载供电三、电路特点1、与一般单管正激式转换器电路特点大致相同2、具优赿的有源钳位泄放回路，转换器的效率较高，但同时电路的成本增加四、适用场合：1、适用在低、中功率的变换器第9节、HALFBRIGE电路（半桥式变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、二极管的平均电流6、二极管的反向工作电压7、工作波形时序图一、工作原理：1、HALRBRIGE电路的从PUSH-PULL电路演变而来，工作原理类似推挽式转换器；主要的区别是变压器的一端接到C1、C2串联所产生的浮点电压VIN/2，另外一端接到Q1、Q2的漏、源极接头处。2、当Q1ON、Q2OFF时：变压初级产生+VIN/2的脉波；当Q1OFF、Q2ON时：变压初级产生—VIN/2的脉波；此脉动电压经由变压器转换降低为次级电压。二、电路的优点：1、不需要使用高压电晶体2、变压器不需要有间隙三、电路的缺点：1、由于变压器电压被减少为VIN/2，开关管的峰值电流相对于PUSH-PULL会加倍四、实际应用：1、使用半桥式转换器较为流行；2、在应用上电路要加平衡铁芯正反相伏特-秒区间的回路，即在变压器初级线圈串联一个电容；串联耦合电容使用薄膜非极性电容，要有较低的ESR值3、在Q1、Q2的漏源极并联两个高速回复类型的二极体；目的是：当负载突然没有的情况下，可以防止在开关管ON时VDS摇摆至负电位，并联的二极体可以旁路，可以避免开关管逆向导通造成管子损坏4、受开关管峰值电流的限制，适用在中、低功转换器第10节、PUSHPULL电路（推挽式变换器）一、右图的内容：1、电路拓扑2、电压增益3、开关管的峰值电流4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流6、整流二极体的反向工作电压7、工作波形时序图二、工作原理：1、推挽式转换器由二个反相位工作的顺向式转换器组合而成；在每一半周内，推挽转换器会将功率传导至输出负载2、Q1、Q2轮流导通：当Q1导通、Q2截止时→二次侧感应电压的极性是上“+”下“—“，此时D1导通，导通电流向L储能并向负载供电当Q1截止、Q2导通时→二次侧感应电压的极性是上“—”下“+“，此时D2导通，导通电流向L储能并向负载