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常用开关电源拓扑演进

2015-03-23 17:18:41 来源:电子产品世界

直流变换器按输入与输出是否有电气隔离可分为两类:没有电气隔离的称为非隔离的直流变换器,有电气隔离的称为隔离的直流变换器。

直流变换器按输入与输出是否有电气隔离可分为两类:没有电气隔离的称为非隔离的直流变换器,有电气隔离的称为隔离的直流变换器。

基本的非隔离开关电源拓扑主要有六种,即降压变换器(buck),升压变换器(boost),升降压变换器(buck-boost),Cuk变换器,Zeta变换器和Sepic变换器等。在这六种变换器中,降压式变换器和升压式变换器是最基础的,另外四种是从中派生而来。

隔离的直流变换器按有源功率器件的数量来分类。单管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种;双管的有双管正激(Double Transistor Forward Convert)、双管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半桥(Half-bridge Convert)等四种;四管的直流变换器就只有全桥直流变换器(Full Bridge Convert)。

很多人尤其是开关电源的初学者,常常被上述林林总总的开关电源拓扑结构给弄的晕头转向,不了解不同拓扑之间的关系。其实各种隔离拓扑结构全部是由非隔离拓扑演化而来,通过对它们进行分类、了解演化关系,可以极大的简化我们对开关电源的学习,深入了解各种拓扑的特点。

二、升压变换器(buck)与降压变换器(boost)

开关变换器取代线性调压早在20世纪60年代就已经开始使用,它通过快速开关晶体管,经过电感或电容滤波后,输出直流电压的平均值。通过控制晶体管开关的占空比,可以控制输出电压的大小。

 

上图是最早的开关型变换器——buck变换器,当开关管导通时,输入电压通过开关管、电感L1对负载提供能量,同时为L1、C1进行储能;当开关管关断时,L1、C1对负载提供能量,二极管D1为储能电感提供续流泄放路径。

 

 

上图为另外一种最基本的开关变换器拓扑——boost变换器拓扑。当开关管导通时,输入电压对电感L1提供能量进行储能,同时负载由电容C1来提供能量;当开关判断时,输入电压与电感L1通过二极管D1共同为负载提供能量,同时电容C1充电以补充在开关管判断期间损耗掉的能量。

三、常见隔离拓扑

前面讨论的buck与boost开关变换器拓扑有一个明显的缺点,就是它们的输入回路和输出回路共地,并且无法实现多路输出。下面介绍的正激变换器、推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器有很多共同的特点,如这些拓扑全部利用变压器把能量传递到负载、输入输出回路隔离不共地、可以利用变压器多个次级绕组实现多路输出。

1.正激变换器(Forward Convert)

正激变换器由Buck变换器派生而来,如下图所示,在Buck变换器输入端加入变压器对输入信号进行隔离,再由二极管D3对变压器输出信号进行半波整流输出PWM脉冲信号代替原来由高端开关形成PWM输入。同时,为了简化驱动电路,开关管由高端浮地改为低端开关,形成正激变换器的基本结构(缺磁复位电路没有显示)。当开关管导通时,同名端相对于异名端为正二极管D2正偏,二极管D3反偏,输入功率通过变压器经过D3、L3给负载提供能量,同时给电感L2储存能量;当开关管关断时,输入能量传递不到副边,电感L2里面存储的能量通过D2传送到负载。

 

 

正激变压器在输出功率150W~200W,输入电压较低,60~250V的场合,正激变换器可能是最广泛应用的拓扑。若输入电压低于60V,则对应最小输入电压所需的初级输入电流就太大。若最大输入电压超过250V,则开关管的最大电压应力太大。若输出功率超过200W,对于任何直流输入电压,所需的输入电流太大。

2.推挽变换器

推挽变换器可以理解为由两路正激电路并联构成,如下图所示。由于推挽变换器原边有两个相差180度相位的绕组交换传递能量到副边输出级,所以副边采用带中间抽头的双绕组,并采用全波整流,可以去除在正激变换器中开关管关闭时,由储能电感对外提供能量的周期,整个开关周期都有能量从原边传递到副边。由于不需要储能电感的续流功能,所以续流二极管D2也只可以省略。即原边输入级采用两路正激变换器的输入级交错并联,副边合理的节省部分整流、滤波电路后,即派生出典型的推挽式开关电源变换器。

对于推挽式开关电源变换器,由于上面已经提到,整个开关周期都有能量从输入侧传递到输出测,没有储能电感续流供电过程,采用全波或桥式整流后,其输出电压的脉动系数和电流的脉动系数都很小,因此只需要很小的输出滤波电感、电容,就可以得到电压纹波与电流纹波都很小的输出电压,其输出电压特性非常好。其次,由于推挽式开关电源中的变压器磁芯属于双向极化,工作在一、三象限,其磁芯利用率较正激变换器更高。另外,推挽式开关电源变换器的两个开关管都有一个公共接地端,相对于半桥、全桥拓扑来讲,其驱动电路可以简化很多,这也是推挽拓扑的一个优点。

与其优点一样,推挽拓扑的缺点一样非常鲜明。与正激拓扑一样,由于每个开关管在关断期间承受的电压为两倍输入电压(不包括因开关管通断与寄生参数造成的开关尖峰),推挽拓扑不适用于输入电压较高的场合。

 

 

3.反激变换器(Flyback Converter)

前面讲到的几种变换器,除boost外,都是在开关管导通时将能量传递到负载端。这里要讲的反激变换器则不同,在反激拓扑中,开关管导通时,变压器存储能量,负载电流由输出滤波电容提供;开关管判断时,变压器将存储的能量传递到负载,并给输出电容充电来补偿开关管导通期间输出电容放电消耗的能量。

反激拓扑在高电压、小功率的应用专用(电压不大于5000V,功率几十瓦),如果输入电压较高,初级电流适当,反派拓扑可以用在输出功率高达150W的电源中。它最大的优点在于不需要接buck类拓扑都需要的输出电感,使反激变换器结构简化、体积减小、成本降低。

 

 

4.半桥、全桥拓扑也可以由buck拓扑派生而来,由于篇幅问题,这里不再赘述,感兴趣的朋友可以自己偿试推演一下。


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