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標題: 開關電源拓撲結構的進化歷史! [打印本頁]

作者: 小融一號    時間: 2017-9-1 13:21
標題: 開關電源拓撲結構的進化歷史!
一、概述

直流變換器按輸入與輸出是否有電氣隔離可分為兩類:沒有電氣隔離的稱為非隔離的直流變換器,有電氣隔離的稱為隔離的直流變換器。

基本的非隔離開關電源拓撲主要有六種,即降壓變換器(buck),升壓變換器(boost),升降壓變換器(buck-boost),Cuk變換器,Zeta變換器和Sepic變換器等。在這六種變換器中,降壓式變換器和升壓式變換器是最基礎的,另外四種是從中進化衍生而來。

隔離的直流變換器按有源功率器件的數量來分類。單管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種;雙管的有雙管正激(Double Transistor Forward Convert)、雙管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半橋(Half-bridge Convert)等四種;四管的直流變換器就只有全橋直流變換器(Full Bridge Convert)。

很多人尤其是開關電源的初學者,常常被上述林林總總的開關電源拓撲結構給弄的暈頭轉向,不了解不同拓撲之間的關系。其實各種隔離拓撲結構全部是由非隔離拓撲演化而來,通過對它們進行分類、了解演化關系,可以極大的簡化我們對開關電源的學習,深入了解各種拓撲的特點

二、升壓變換器(buck)與降壓變換器(boost)

開關變換器取代線性調壓早在20世紀60年代就已經開始使用,它通過快速開關晶體管,經過電感或電容濾波后,輸出直流電壓的平均值。通過控制晶體管開關的占空比,可以控制輸出電壓的大小。


上圖是最早的開關型變換器——buck變換器,當開關管導通時,輸入電壓通過開關管、電感L1對負載提供能量,同時為L1、C1進行儲能;當開關管關斷時,L1、C1對負載提供能量,二極管D1為儲能電感提供續流泄放路徑。


上圖為另外一種最基本的開關變換器拓撲——boost變換器拓撲。當開關管導通時,輸入電壓對電感L1提供能量進行儲能,同時負載由電容C1來提供能量;當開關判斷時,輸入電壓與電感L1通過二極管D1共同為負載提供能量,同時電容C1充電以補充在開關管判斷期間損耗掉的能量。

三、常見隔離拓撲

前面討論的buck與boost開關變換器拓撲有一個明顯的缺點,就是它們的輸入回路和輸出回路共地,并且無法實現多路輸出。下面介紹的正激變換器、推挽變換器、半橋變換器、全橋變換器有很多共同的特點,如這些拓撲全部利用變壓器把能量傳遞到負載、輸入輸出回路隔離不共地、可以利用變壓器多個次級繞組實現多路輸出。

1.正激變換器(Forward Convert)

正激變換器由Buck變換器派生而來,如下圖所示,在Buck變換器輸入端加入變壓器對輸入信號進行隔離,再由二極管D3對變壓器輸出信號進行半波整流輸出PWM脈沖信號代替原來由高端開關形成PWM輸入。同時,為了簡化驅動電路,開關管由高端浮地改為低端開關,形成正激變換器的基本結構(缺磁復位電路沒有顯示)。當開關管導通時,同名端相對于異名端為正二極管D2正偏,二極管D3反偏,輸入功率通過變壓器經過D3、L3給負載提供能量,同時給電感L2儲存能量;當開關管關斷時,輸入能量傳遞不到副邊,電感L2里面存儲的能量通過D2傳送到負載。


正激變壓器在輸出功率150W~200W,輸入電壓較低,60~250V的場合,正激變換器可能是最廣泛應用的拓撲。若輸入電壓低于60V,則對應最小輸入電壓所需的初級輸入電流就太大。若最大輸入電壓超過250V,則開關管的最大電壓應力太大。若輸出功率超過200W,對于任何直流輸入電壓,所需的輸入電流太大。

2.推挽變換器

推挽變換器可以理解為由兩路正激電路并聯構成,如下圖所示。由于推挽變換器原邊有兩個相差180度相位的繞組交換傳遞能量到副邊輸出級,所以副邊采用帶中間抽頭的雙繞組,并采用全波整流,可以去除在正激變換器中開關管關閉時,由儲能電感對外提供能量的周期,整個開關周期都有能量從原邊傳遞到副邊。由于不需要儲能電感的續流功能,所以續流二極管D2也只可以省略。即原邊輸入級采用兩路正激變換器的輸入級交錯并聯,副邊合理的節省部分整流、濾波電路后,即派生出典型的推挽式開關電源變換器。

對于推挽式開關電源變換器,由于上面已經提到,整個開關周期都有能量從輸入側傳遞到輸出測,沒有儲能電感續流供電過程,采用全波或橋式整流后,其輸出電壓的脈動系數和電流的脈動系數都很小,因此只需要很小的輸出濾波電感、電容,就可以得到電壓紋波與電流紋波都很小的輸出電壓,其輸出電壓特性非常好。其次,由于推挽式開關電源中的變壓器磁芯屬于雙向極化,工作在一、三象限,其磁芯利用率較正激變換器更高。另外,推挽式開關電源變換器的兩個開關管都有一個公共接地端,相對于半橋、全橋拓撲來講,其驅動電路可以簡化很多,這也是推挽拓撲的一個優點。

與其優點一樣,推挽拓撲的缺點一樣非常鮮明。與正激拓撲一樣,由于每個開關管在關斷期間承受的電壓為兩倍輸入電壓(不包括因開關管通斷與寄生參數造成的開關尖峰),推挽拓撲不適用于輸入電壓較高的場合。


3.反激變換器(Flyback Converter)

前面講到的幾種變換器,除boost外,都是在開關管導通時將能量傳遞到負載端。這里要講的反激變換器則不同,在反激拓撲中,開關管導通時,變壓器存儲能量,負載電流由輸出濾波電容提供;開關管判斷時,變壓器將存儲的能量傳遞到負載,并給輸出電容充電來補償開關管導通期間輸出電容放電消耗的能量。

反激拓撲在高電壓、小功率的應用專用(電壓不大于5000V,功率幾十瓦),如果輸入電壓較高,初級電流適當,反派拓撲可以用在輸出功率高達150W的電源中。它最大的優點在于不需要接buck類拓撲都需要的輸出電感,使反激變換器結構簡化、體積減小、成本降低。









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