Zwanzig Arten von Topologien für Schaltnetzteile

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2022-03-17 129

Was ist Topologie? Die sogenannte Schaltungstopologie ist die Verbindungsmethode von Leistungsgeräten und elektromagnetischen Komponenten in der Schaltung, und die Gestaltung magnetischer Komponenten, der Kompensationsschaltung mit geschlossenem Regelkreis und aller anderen Schaltungskomponenten hängt von der Topologie ab. Die grundlegendsten Topologien sind Buck-, Boost- und Boost/Buck-, isolierte Flyback-, Vorwärts-, Push-Pull-, Halbbrücken- und Vollbrückenwandler.
Es gibt etwa 14 gängige Topologien für Schaltnetzteile, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten aufweist. Das Auswahlprinzip besteht darin, zu prüfen, ob es sich um einen Hochleistungs- oder Niedrigleistungsausgang, einen Hochspannungs- oder Niederspannungsausgang handelt und ob möglichst wenige Komponenten vorhanden sind.
Daher ist es sehr wichtig, die Vor- und Nachteile sowie Anwendungsbereiche verschiedener Topologien zu kennen, um Topologien richtig auswählen zu können. Die falsche Wahl führt dazu, dass das Diätdesign von Anfang an zum Scheitern verurteilt ist. Im Folgenden werden 20 grundlegende Schaltnetzteiltopologien zusammengefasst, um dem System dabei zu helfen, das Funktionsprinzip und die grundlegenden Eigenschaften jeder Schaltungsstruktur zu beherrschen.

Vergleich von 20 Schaltnetzteil-Topologien

Gängige Basistopologie von: ■ Buck Step-Down ■ Boost Boost ■ Buck-Boost Buck-Boost ■ Flyback Flyback ■ Vorwärts-Vorwärtserregung ■ Zwei-Transistor-Vorwärts-Doppeltransistor-Vorwärts ■ Push-Pull Push-Pull ■ Halbbrücke Halbbrücke ■ Vollbrücke Vollbrücke ■ SEPIC ■ C'uk

Grundlegende Wellenform der Pulsweitenmodulation von

Diese Topologien beziehen sich alle auf Schaltkreise, und die grundlegende Wellenform der Pulsweitenmodulation ist wie folgt definiert:

三、Buck 降压

Merkmale:
■ Reduzieren Sie den Eingang auf eine niedrigere Spannung.
■ Wahrscheinlich die einfachste Schaltung.
■ Der Induktor-/Kondensatorfilter glättet die Rechteckwelle nach dem Schalten.
■ Die Ausgabe ist immer kleiner oder gleich der Eingabe.
■ Diskontinuierlicher Eingangsstrom (Zerhacken)
■ Glatter Ausgangsstrom

Boost-Boost

Merkmale:
■ Erhöhen Sie den Eingang auf eine höhere Spannung.
■ Dasselbe wie Abwärtswandler, aber Induktor, Schalter und Diode sind neu angeordnet.
■ Das Ausgangsverhältnis ist immer größer oder gleich dem Eingangsverhältnis (unter Ignorierung des Durchlassspannungsabfalls der Diode).
■ Glättung des Eingangsstroms
■ Diskontinuierlicher Ausgangsstrom (Zerhacken)

Buck-Boost, Buck-Boost

Merkmale:
■ Eine andere Anordnungsmethode von Induktivitäten, Schaltern und Dioden
■ Kombiniert die Nachteile von Buck- und Boost-Schaltungen.
■ Diskontinuierlicher Eingangsstrom (Zerhacken)
■ Der Ausgangsstrom ist auch diskontinuierlich (zerhackt)
■ Der Ausgang ist immer entgegengesetzt zum Eingang (beachten Sie die Polarität des Kondensators), aber die Amplitude kann kleiner oder größer als die des Eingangs sein.
■ Der „Flyback“-Konverter hat tatsächlich die Form einer Buck-Boost-Schaltungstrennung (Transformatorkopplung).

Flyback-Flyback

Merkmale:
■ Funktioniert wie eine Buck-Boost-Schaltung, aber der Induktor verfügt über zwei Wicklungen, die sowohl als Transformator als auch als Induktor dienen.
■ Der Ausgang kann positiv oder negativ sein, abhängig von der Polarität der Spule und der Diode.
■ Die Ausgangsspannung kann größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein, die durch das Windungsverhältnis des Transformators bestimmt wird.
■ Dies ist die einfachste isolierte Topologie.
■ Durch Hinzufügen von Sekundärwicklungen und Schaltkreisen können mehrere Ausgänge erzielt werden.

Forward ist aufgeregt

Merkmale:
■ Transformatorkopplungsform der Abwärtsschaltung.
■ Diskontinuierlicher Eingangsstrom und glatter Ausgangsstrom.
■ Da der Transformator verwendet wird, kann der Ausgang größer oder kleiner als der Eingang sein und eine beliebige Polarität haben.
■ Durch Hinzufügen von Sekundärwicklungen und Schaltkreisen können mehrere Ausgänge erzielt werden.
■ Der Transformatorkern muss bei jedem Schaltzyklus entmagnetisiert werden. Üblicherweise wird eine Wicklung mit der gleichen Windungszahl wie die Primärwicklung hinzugefügt.
■ Die während der Einschaltphase in der Primärinduktivität gespeicherte Energie wird während der Ausschaltphase über zusätzliche Wicklungen und Dioden freigesetzt.

Merkmale:■ Transformatorkopplungsform der Abwärtsschaltung.■ Diskontinuierlicher Eingangsstrom und glatter Ausgangsstrom.■ Da der Transformator verwendet wird, kann der Ausgang größer oder kleiner als der Eingang sein und eine beliebige Polarität haben.■ Durch Hinzufügen von Sekundärwicklungen und Schaltkreisen können mehrere Ausgänge erzielt werden.■ Der Transformatorkern muss bei jedem Schaltzyklus entmagnetisiert werden. Üblicherweise wird eine Wicklung mit der gleichen Windungszahl wie die Primärwicklung hinzugefügt.■ Die während der Einschaltphase in der Primärinduktivität gespeicherte Energie wird während der Ausschaltphase über zusätzliche Wicklungen und Dioden freigesetzt.

Zwei-Transistor-Vorwärtsschaltung, Doppeltransistor-Vorwärtsschaltung

Merkmale:
■ Zwei Schalter arbeiten gleichzeitig.
■ Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, kehrt die im Transformator gespeicherte Energie die Polarität der Primärwicklung um und schaltet die Diode ein.Die wichtigsten Vorteile:
■ Die Spannung an jedem Schalter wird niemals die Eingangsspannung überschreiten.
■ Ein Zurücksetzen der Wickelschiene ist nicht erforderlich.

Push-Pull-Push-Pull

Merkmale:
■ Ein Schalter (FET) treibt verschiedene Phasen an und führt eine Pulsweitenmodulation (PWM) durch, um die Ausgangsspannung anzupassen.
■ Guter Nutzungsgrad der Transformatorkern-Leistungsübertragung in beiden Halbwellen.
■ Vollwellentopologie, daher ist die Ausgangswelligkeitsfrequenz doppelt so hoch wie die des Transformators.
■ Die am FET angelegte Spannung beträgt das Doppelte der Eingangsspannung.

Halbbrücke Halbbrücke

Merkmale:
■ Die Topologiestruktur von Wandler höherer Leistung wird sehr häufig verwendet.
■ Ein Schalter (FET) treibt verschiedene Phasen an und führt eine Pulsweitenmodulation (PWM) durch, um die Ausgangsspannung anzupassen.
■ Guter Nutzungsgrad der Transformatorkern-Leistungsübertragung in beiden Halbwellen. Und das Ausnutzungsverhältnis der Primärwicklung ist besser als das der Gegentaktschaltung.
■ Vollwellentopologie, daher ist die Ausgangswelligkeitsfrequenz doppelt so hoch wie die des Transformators.
■ Die am FET anliegende Spannung entspricht der Eingangsspannung.

Vollbrücke

Merkmale:
■ Die am häufigsten verwendete Topologie für Konverter mit höherer Leistung.
■ Schalter (FETs) werden in Form von Diagonalpaaren angesteuert und die Ausgangsspannung wird mittels Pulsweitenmodulation (PWM) reguliert.
■ Guter Nutzungsgrad der Transformatorkern-Leistungsübertragung in beiden Halbwellen.
■ Vollwellentopologie, daher ist die Ausgangswelligkeitsfrequenz doppelt so hoch wie die des Transformators.
■ Die an FETs angelegte Spannung entspricht der Eingangsspannung.
■ Bei einer gegebenen Leistung beträgt der Primärstrom die Hälfte des Halbbrückenstroms.

SEPIC Single-Ended-Primärinduktivitätswandler

Merkmale:
■ Die Ausgangsspannung kann größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein.
■ Wie bei der Boost-Schaltung ist der Eingangsstrom gleichmäßig, der Ausgangsstrom jedoch diskontinuierlich.
■ Die Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang erfolgt über einen Kondensator.
■ Es sind zwei Induktoren erforderlich.

C'uk (Patent von Slobodan C'uk)

Merkmale:
■ Ausgangsinvertierung
■ Die Amplitude der Ausgangsspannung kann größer oder kleiner als die des Eingangs sein.
■ Sowohl der Eingangsstrom als auch der Ausgangsstrom sind gleichmäßig.
■ Die Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang erfolgt über einen Kondensator.
■ Es sind zwei Induktoren erforderlich.
■ Induktivitäten können gekoppelt werden, um einen Induktorstrom ohne Welligkeit zu erhalten.

Einzelheiten zur Schaltungsarbeit

Erklären Sie die Arbeitsdetails der folgenden Topologien:
■ Abwärtsregler: kontinuierliche Leitung, kritische Leitung und diskontinuierliche Leitung.
■ Boost-Regler (kontinuierliche Leitung)
■ Transformatorbetrieb
■ Flyback-Transformator
■ Vorwärtstransformator

Buck-Buck-Regler-kontinuierliche Leitung

Merkmale:
■ Der Induktorstrom ist kontinuierlich.
■ Vout ist der Durchschnittswert seiner Eingangsspannung (V1).
■ Die Ausgangsspannung ist die Eingangsspannung multipliziert mit dem Lastverhältnis (D) des Schalters.
■ Beim Einschalten fließt der Induktorstrom aus der Batterie.
■ Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt Strom durch die Diode.
■ Ignorieren Sie die Verluste in Schaltern und Induktivitäten, und D hat nichts mit dem Laststrom zu tun.
■ Der Abwärtsregler und seine Ableitungsschaltungen zeichnen sich aus durch:Der Eingangsstrom ist diskontinuierlich (Zerhacken) und der Ausgangsstrom ist kontinuierlich (Glättung).

Buck-Buck-Regler-kritische Leitung

■ Der Induktorstrom ist weiterhin kontinuierlich, „erreicht“ jedoch erst beim erneuten Einschalten des Schalters Null, was als „kritische Leitung“ bezeichnet wird. Die Ausgangsspannung ist immer noch gleich der Eingangsspannung multipliziert mit d.

Buck-Buck-Regler – diskontinuierliche Leitung

■ In diesem Fall ist der Strom im Induktor in jedem Zyklus für einen bestimmten Zeitraum Null.
■ Die Ausgangsspannung ist immer noch (immer) der Mittelwert von v1.
■ Die Ausgangsspannung ist nicht die Eingangsspannung multipliziert mit dem Lastverhältnis (D) des Schalters.
■ Wenn der Laststrom niedriger als der kritische Wert ist, ändert sich D mit dem Laststrom (während Vout gleich bleibt).

Boost-Regler

■ Die Ausgangsspannung ist immer größer (oder gleich) der Eingangsspannung.
■ Kontinuierlicher Eingangsstrom und diskontinuierlicher Ausgangsstrom (im Gegensatz zum Abwärtsregler).
■ Der Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Lastverhältnis (D) ist nicht so einfach wie bei Abwärtsreglern. Bei kontinuierlicher Leitung:

In diesem Beispiel ist Vin = 5, Vout = 15 und D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

Betrieb des Transformators (einschließlich der Funktion des Primärinduktors)

■ Der Transformator wird als idealer Transformator betrachtet und seine Primärinduktivität (Magnetisierung) ist parallel zur Primärwicklung geschaltet.

Flyback-Transformator

■Dabei ist die Primärinduktivität sehr gering, was zur Bestimmung des Spitzenstroms und der gespeicherten Energie dient. Wenn der Primärschalter ausgeschaltet ist, wird Energie auf den Sekundärschalter übertragen.

Vorwärts-Durchflusswandler-Transformator

■ Die Primärinduktivität ist hoch, da keine Energiespeicherung erforderlich ist.
■ Der Magnetisierungsstrom (i1) fließt in den „Magnetisierungsinduktor“, um den Magnetkern zu entmagnetisieren (Sperrspannung), nachdem der Primärschalter ausgeschaltet wurde.

Zusammenfassung

■ Hier wird die gängigste Schaltungstopologie bei der Schaltleistungsumwandlung besprochen.
■ Es gibt viele andere Topologien, aber die meisten davon sind Kombinationen oder Variationen der hier beschriebenen Topologien.
■ Jede Topologie enthält einzigartige Design-Kompromisse:1) die am Schalter anliegende Spannung2) Zerhacken und Glätten des Eingangs- und Ausgangsstroms3) Nutzungsverhältnis der Wicklung
■ Die Auswahl der besten Topologie erfordert Forschung:1) Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich2) Aktueller Bereich3) Das Verhältnis von Kosten zu Leistung, Größe zu Gewicht

Haftungsausschluss: Dieser Artikel ist eine Reproduktion aus „Power System Design“. Dieser Artikel gibt nur die persönlichen Ansichten des Autors wieder und gibt nicht die Ansichten von Sacco Micro und der Branche wieder. Es dient ausschließlich dem Nachdruck und der Weitergabe zur Unterstützung des Schutzes geistiger Eigentumsrechte. Bitte geben Sie beim Nachdruck die Originalquelle und den Autor an. Wenn ein Verstoß vorliegt, kontaktieren Sie uns bitte, um ihn zu löschen.

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