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基本名词 常见的基本拓扑结构 ■Buck降压 ■Boost升压 ■Buck-Boost降压-升压 ■Flyback反激 ■Forward正激 ■Two-Transistor Forward双晶体管正激 ■Push-Pull推挽 ■Half Bridge半桥 ■Full Bridge全桥 ■SEPIC ■C’uk 1、基本的脉冲宽度调制波形 这些拓扑结构都与开关式电路有关。# l, C5 ^+ X0 |. f
基本的脉冲宽度调制波形定义如下:) y7 W( h" z' a* v
2、Buck降压
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■把输入降至一个较低的电压。 ■可能是最简单的电路。 ■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。 ■输出总是小于或等于输入。 ■输入电流不连续 (斩波)。 ■输出电流平滑。
9 P8 T. H* m; `+ F) f6 H4 R3、Boost升压
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■把输入升至一个较高的电压。 ■与降压一样,但重新安排了电感、开关和二极管。 ■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。 ■输入电流平滑。 ■输出电流不连续 (斩波)。" T( c5 {8 y- q5 O
4、Buck-Boost降压-升压
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■电感、开关和二极管的另一种安排方法。 ■结合了降压和升压电路的缺点。 ■输入电流不连续 (斩波)。 ■输出电流也不连续 (斩波)。 ■输出总是与输入反向 (注意电容的极性),但是幅度可以小于或大于输入。 ■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式。
( F |" _7 ~" e( X# w y5、Flyback反激
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■如降压-升压电路一样工作,但是电感有两个绕组,而且同时作为变压器和电感。 ■输出可以为正或为负,由线圈和二极管的极性决定。 ■输出电压可以大于或小于输入电压,由变压器的匝数比决定。 ■这是隔离拓扑结构中最简单的 ■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。1 a" ^: U/ x- ]- @1 A% }2 W: S1 `
6、Forward正激 9 U; V2 ^6 ?. T2 F$ O) o7 c6 O
■降压电路的变压器耦合形式。 ■不连续的输入电流,平滑的输出电流。 ■因为采用变压器,输出可以大于或小于输入,可以是任何极性。 ■增加次级绕组和电路可以获得多个输出。 ■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。 ■在开关接通阶段存储在初级电感中的能量,在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。! L: ~. f( t0 [# B2 n3 B
7、Two-Transistor Forward双晶体管正激 ' C8 `" g0 c$ X
■两个开关同时工作。 ■开关断开时,存储在变压器中的能量使初级的极性反向,使二极管导通。 ■主要优点: ■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。 ■无需对绕组磁道复位。
* N) v v/ b1 J$ n9 B7 v! h( O! w! A0 b8、Push-Pull推挽 6 B W6 v$ |5 b, Z
■开关(FET)的驱动不同相,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。
0 ~9 [4 v7 K2 G! m, D2 }+ g3 K9、Half-Bridge半桥
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■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。 ■开关(FET)的驱动不同相,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FET上的电压与输入电压相等。! u6 E4 M- }' R$ X, m. b1 c
10、Full-Bridge全桥 + c+ X( N; N8 @1 Q+ p
■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。 ■开关(FET)以对角对的形式驱动,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在 FETs上的电压与输入电压相等。 ■在给定的功率下,初级电流是半桥的一半。
7 l r% o3 {9 E( [11、SEPIC单端初级电感变换器
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■输出电压可以大于或小于输入电压。 ■与升压电路一样,输入电流平滑,但是输出电流不连续。 ■能量通过电容从输入传输至输出。 ■需要两个电感。
# x3 H: u6 ~, ]+ b" e" o' j12、C’uk(Slobodan C’uk的专利) - A$ l E8 c/ ]' f4 Q
■输出反相 ■输出电压的幅度可以大于或小于输入。 ■输入电流和输出电流都是平滑的。 ■能量通过电容从输入传输至输出。 ■需要两个电感。 ■电感可以耦合获得零纹波电感电流。7 ]1 O, @( L8 O- \( M
13、电路工作的细节
: E- t( A% z- _ 下面讲解几种拓扑结构的工作细节 ■降压调整器: 连续导电 临界导电 不连续导电 ■升压调整器 (连续导电) ■变压器工作 ■反激变压器 ■正激变压器
! @( {3 e/ I* T1 r" z14、Buck-降压调整器-连续导电
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■电感电流连续。 ■Vout 是其输入电压 (V1)的均值。 ■输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 (D)。 ■接通时,电感电流从电池流出。 ■开关断开时电流流过二极管。 ■忽略开关和电感中的损耗, D与负载电流无关。 ■降压调整器和其派生电路的特征是: 输入电流不连续 (斩波), 输出电流连续 (平滑)。6 J C x! ? N5 V* d
15、Buck-降压调整器-临界导电
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■电感电流仍然是连续的,只是当开关再次接通时 “达到”零。 这被称为 “临界导电”。 输出电压仍等于输入电压乘以D。2 }. K6 l: j8 H
16、Buck-降压调整器-不连续导电
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■在这种情况下,电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。 ■输出电压仍然 (始终)是 v1的平均值。 ■输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比 (D)。 ■当负载电流低于临界值时,D随着负载电流而变化(而Vout保持不变)。
u3 n- r1 k( R* ^17、Boost升压调整器
# P- M6 V0 D& z9 ] ■输出电压始终大于(或等于)输入电压。 ■输入电流连续,输出电流不连续(与降压调整器相反)。 ■输出电压与负荷比(D)之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下:
在本例中,Vin = 5, Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15,D = 2/3." g7 o$ ?. u8 q' F C2 x; }* \
18、变压器工作(包括初级电感的作用) 8 T |' P' N( e" Y% Q2 k
■变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。9 N2 h* \, f2 B2 j& t& D
19、反激变压器
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■此处初级电感很低,用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时,能量传送到次级。
: h5 f$ L( b# ]3 ~20、Forward 正激变换变压器 . L9 W9 g/ u. p& t1 [* o/ O! r" }
■初级电感很高,因为无需存储能量。 ■磁化电流 (i1) 流入 “磁化电感”,使磁芯在初级开关断开后去磁 (电压反向)。
* X1 r6 F. ^7 h2 y21、总结 ; K9 I; w; I- l0 \
■此处回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。 ■还有许多拓扑结构,但大多是此处所述拓扑的组合或变形。 ■每种拓扑结构包含独特的设计权衡: 施加在开关上的电压 斩波和平滑输入输出电流 绕组的利用率 ■选择最佳的拓扑结构需要研究: 输入和输出电压范围 电流范围 成本和性能、大小和重量之比 |