常用开关电源拓扑结构

开关电源拓扑结构概述(降压,升压,反激、正激)主回路—开关电源中，功率电流流经的通路。主回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。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。开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。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——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）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上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。对于图1-2，如果不看控制开关T和输入电压Ui，它是一个典型的反г型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：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（下图中所示的开关三极管T）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。由此可见，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。并联开关电源输出电压Uo为：boots拓扑输出电压Uo：Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D为占空比)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。反转式串联开关电源输出电压Uo为：由（1-27）式可以看出，反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比，与开关关断的时间成反比。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singleForwardConverter（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。）U1是开关电源的输入电压，N是开关变压器，T是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，RL是负载电阻。在上图中，需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，上图就不再是正激式变压器开关电源了该电路的最大问题是：开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。2.2.单端反激式SingleF1ybackConverter（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D3、N3构成的回路。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，D3、N3的作用也不同。反激式变压器开关电源的输出电压为：（1-110）式中，Uo为反激式变压器开关电源的输出电压，Ui变压器初级线圈输入电压，D为控制开关的占空比，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。2.3.推挽Pushpull（变压器中心抽头）式这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FullBridgeConverter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。图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端；T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。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HalfBridgeConverter电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。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。DC／DC电源变换器的拓扑类型引言本文的第一部分为“DC／DC电源变换器拓扑的分类”，第二部分是在参考美国TI公司资料的基础上撰写而成的，新增加了各种DC／DC电源变换器的主要特点及PWM控制器的典型产品，另外还按照目标对电路结构、波形参数和汁算公式中的物理量作了统一。本文的特点足以表格形式归纳了常见DC／DC电源变换器的拓扑结构．这对电源专业的广大技术人员是一份不可多得的技术资料。1DC／DC电源变换器拓扑结构的分类DC／DC电源变换器的拓扑类型主要有以下13种：(1)BuckConverter降压式变换器；(2)BoostConyerter升压式变换器；(3)Buck—BoostConverter降压/升压式变换器，含极性反转(Inverting)式变换器；(4)CukConverter升压，升压串联式变换器；(5)SEPIC(SingleEndcdPdimaryInductorConverter)单端一次侧电感式变换器；(6)F1ybackConverter反激式(亦称回扫式)变换器；(7)ForwardConverter正激式变换器：(8)DoubleSwitchesForwardConverter双开关正激式变换器；(9)ActiveClampForwardConverter有源箝位(0)HalfBridgeConverter半桥式变换器；(11)FullBridgeConverter全桥式变换器；(12)PushpullConvener推挽式变换器：(13)PhaseShiftSwitchingZVT(PhaseShiftSwitchingZeroVoltageTransition)移相式零电压开关变换器。2常见DC／DC电源变换器的拓扑类型常见DC/DC电源变换器的拓扑类型见表1～表3所列。表中给出不同的电路结构，同时也给出相应的电压及电流波形(设相关的电感电流为连续工作方式)。PWM表示脉宽调制波形，U1为直流输入电压，UDS为功率丌关管S1(MOSFFT)的漏一源极电压。ID1为S1的漏极电流。IF1为D1的工作电流，U0为输出电压，IL为负载电流。T为周期，t为UO呈高电平(或低电平)的时问及开关导通时间，D为占空比，有关系式：D=t/T。C1、C2均为输入端滤波电容，CO为输出端滤波电容，L1、L2为电感。