开关电源的结构和进化

开关电源拓扑结构和进化一、概述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。非隔离电源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，另外四种是从中进化衍生而来。隔离电源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(DoubleTransistorForwardConvert)、双管反激(DoubleTransistorFlybackConverter)、推挽(Push-pullConverter)和半桥(Half-bridgeConvert)等四种；四管的直流变换器就只有全桥直流变换器(FullBridgeConvert)o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3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为功率兀关管SKMOSFFT）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。金换热关型Uurk（W/I；A）lkMM（升fK武）Kurk-Koin.1（WMQ升版式.含锹件反转式.即Inverting式）SKPIC（年端次侧电$式）冯］，年心<*IX电路n构勺汗押想的"v'n—_T9Ji-'.,〃一f"传浅函或t/i7U.TtI，“7-r1-0f|-〃灿火漏极电浪hj—匕〉'A»41"，，'、J"K,;»极电JkS土L.p^L..UzUl&输出二眼tr1的电流/”.（i~〃n/h-Ai/hwA»输出湛忤的反向电麻“mWln\-lo«IwieawiM/iM；PUM电JK及

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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(FlybackConverter)前面讲到的几种变换器，除boost夕卜，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;开关管关断时，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。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。DIl—*o单端正激式开夫电源主回路单端正激式开夫电源主回路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