Vingt types de topologie d'alimentation à découpage

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2022-03-17 142

Qu'est-ce que la topologie ? La topologie dite du circuit est la méthode de connexion des dispositifs de puissance et des composants électromagnétiques dans le circuit, et la conception des composants magnétiques, du circuit de compensation en boucle fermée et de tous les autres composants du circuit dépend de la topologie. Les topologies les plus basiques sont les convertisseurs abaisseur, boost et boost/buck, flyback isolé, forward, push-pull, demi-pont et pont complet.
Il existe environ 14 topologies courantes d'alimentation à découpage, chacune ayant ses propres caractéristiques et occasions applicables. Le principe de sélection est de voir s'il s'agit d'une sortie haute puissance ou basse puissance, haute tension ou basse tension, et s'il y a le moins de composants possible.
Par conséquent, il est très important de connaître les avantages, les inconvénients et les domaines d’application des différentes topologies afin de sélectionner correctement les topologies. Un mauvais choix rendra la conception du régime vouée à l’échec dès le début. Ce qui suit résume 20 topologies d'alimentation à découpage de base pour aider le système à maîtriser le principe de fonctionnement et les caractéristiques de base de chaque structure de circuit.

Comparaison de 20 topologies d'alimentation à découpage

Topologie de base commune de : ■ Buck abaisseur ■ Boost boost ■ Buck-Boost buck-boost ■ Flyback flyback ■ Forward excitation directe ■ Deux transistors directs double transistor direct ■ Push-Pull push-pull ■ Demi-pont Demi-pont ■ Pont complet Pont complet ■ SEPIC ■ C'uk

Forme d'onde de modulation de largeur d'impulsion de base de

Ces topologies sont toutes liées aux circuits de commutation, et la forme d'onde de base de modulation de largeur d'impulsion est définie comme suit :

三、Buck 降压

Caractéristiques :
■ Réduisez l'entrée à une tension inférieure.
■ Probablement le circuit le plus simple.
■ Le filtre inductance/condensateur lisse l'onde carrée après la commutation.
■ La sortie est toujours inférieure ou égale à l'entrée.
■ Courant d'entrée discontinu (hachage)
■ Courant de sortie lisse

Coup de boost

Caractéristiques :
■ Augmentez l'entrée à une tension plus élevée.
■ Identique au abaisseur, mais l'inducteur, l'interrupteur et la diode sont réorganisés.
■ Le rapport de sortie est toujours supérieur ou égal à l'entrée (en ignorant la chute de tension directe de la diode)
■ Lissage du courant d'entrée
■ Courant de sortie discontinu (hachage)

Buck-Boost Buck-Boost

Caractéristiques :
■ Une autre méthode d'agencement des inducteurs, des commutateurs et des diodes
■ Combine les inconvénients des circuits Buck et Boost.
■ Courant d'entrée discontinu (hachage)
■ Le courant de sortie est également discontinu (hachage)
■ La sortie est toujours opposée à l'entrée (notez la polarité du condensateur), mais l'amplitude peut être inférieure ou supérieure à l'entrée.
■ Le convertisseur "Flyback" se présente en fait sous la forme d'une isolation de circuit abaisseur-élévateur (couplage par transformateur).

Retour en vol

Caractéristiques :
■ Fonctionne comme un circuit abaisseur-élévateur, mais l'inducteur comporte deux enroulements, qui servent à la fois de transformateur et d'inducteur.
■ La sortie peut être positive ou négative, déterminée par la polarité de la bobine et de la diode.
■ La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée, qui est déterminée par le rapport de transformation du transformateur.
■ Il s'agit de la topologie isolée la plus simple.
■ Plusieurs sorties peuvent être obtenues en ajoutant des enroulements et des circuits secondaires.

L'attaquant est excité

Caractéristiques :
■ Forme de couplage de transformateur de circuit abaisseur.
■ Courant d'entrée discontinu et courant de sortie lisse.
■ Étant donné que le transformateur est utilisé, la sortie peut être plus grande ou plus petite que l'entrée, et elle peut avoir n'importe quelle polarité.
■ Plusieurs sorties peuvent être obtenues en ajoutant des enroulements et des circuits secondaires.
■ Le noyau du transformateur doit être démagnétisé à chaque cycle de commutation. La pratique courante consiste à ajouter un enroulement ayant le même nombre de tours que l'enroulement primaire.
■ L'énergie stockée dans l'inducteur primaire pendant la phase de mise en marche est libérée par des enroulements et des diodes supplémentaires pendant la phase de mise hors tension.

Caractéristiques :■ Forme de couplage de transformateur de circuit abaisseur.■ Courant d'entrée discontinu et courant de sortie lisse.■ Étant donné que le transformateur est utilisé, la sortie peut être plus grande ou plus petite que l'entrée, et elle peut avoir n'importe quelle polarité.■ Plusieurs sorties peuvent être obtenues en ajoutant des enroulements et des circuits secondaires.■ Le noyau du transformateur doit être démagnétisé à chaque cycle de commutation. La pratique courante consiste à ajouter un enroulement ayant le même nombre de tours que l'enroulement primaire.■ L'énergie stockée dans l'inducteur primaire pendant la phase de mise en marche est libérée par des enroulements et des diodes supplémentaires pendant la phase de mise hors tension.

Transistor direct à deux transistors

Caractéristiques :
■ Deux interrupteurs fonctionnent en même temps.
■ Lorsque l'interrupteur est éteint, l'énergie stockée dans le transformateur inverse la polarité du primaire et allume la diode.Principaux avantages:
■ La tension sur chaque interrupteur ne dépassera jamais la tension d'entrée.
■ Il n'est pas nécessaire de réinitialiser la piste sinueuse.

Push-Pull Push-Pull

Caractéristiques :
■ Le commutateur (FET) pilote différentes phases et effectue une modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour ajuster la tension de sortie.
■ Bon rapport d'utilisation de la transmission de puissance du noyau du transformateur dans les deux demi-cycles.
■ Topologie pleine onde, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est le double de celle du transformateur.
■ La tension appliquée au FET est le double de la tension d'entrée.

Demi-pont demi-pont

Caractéristiques :
■ La structure topologique d'un convertisseur de puissance supérieure est très couramment utilisée.
■ Le commutateur (FET) pilote différentes phases et effectue une modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour ajuster la tension de sortie.
■ Bon rapport d'utilisation de la transmission de puissance du noyau du transformateur dans les deux demi-cycles. Et le taux d'utilisation de l'enroulement primaire est meilleur que celui du circuit push-pull.
■ Topologie pleine onde, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est le double de celle du transformateur.
■ La tension appliquée au FET est égale à la tension d'entrée.

Pont à pont complet

Caractéristiques :
■ La topologie de convertisseurs de puissance supérieure la plus couramment utilisée.
■ Les commutateurs (FET) sont pilotés sous forme de paires diagonales et une modulation de largeur d'impulsion (PWM) est effectuée pour réguler la tension de sortie.
■ Bon rapport d'utilisation de la transmission de puissance du noyau du transformateur dans les deux demi-cycles.
■ Topologie pleine onde, de sorte que la fréquence d'ondulation de sortie est le double de celle du transformateur.
■ La tension appliquée aux FET est égale à la tension d'entrée.
■ A puissance donnée, le courant primaire est la moitié du demi-pont.

Convertisseur d'inductance primaire asymétrique SEPIC

Caractéristiques :
■ La tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée.
■ Comme pour le circuit boost, le courant d'entrée est régulier, mais le courant de sortie est discontinu.
■ L'énergie est transférée de l'entrée à la sortie via un condensateur.
■ Deux inducteurs sont requis.

C'uk (brevet de Slobodan C'uk)

Caractéristiques :
■ Inversion de sortie
■ L'amplitude de la tension de sortie peut être supérieure ou inférieure à celle de l'entrée.
■ Le courant d'entrée et le courant de sortie sont fluides.
■ L'énergie est transférée de l'entrée à la sortie via un condensateur.
■ Deux inducteurs sont requis.
■ Les inducteurs peuvent être couplés pour obtenir un courant d'inducteur à ondulation nulle.

Détails du travail du circuit

Expliquez les détails de fonctionnement des topologies suivantes :
■ Régulateur abaisseur : conduction continue, conduction critique et conduction discontinue.
■ Régulateur Boost (conduction continue)
■ Fonctionnement du transformateur
■ Transformateur flyback
■ Transformateur direct

Régulateur Buck-buck-conduction continue

Caractéristiques :
■ Le courant d'inductance est continu.
■ Vout est la valeur moyenne de sa tension d'entrée (V1).
■ La tension de sortie est la tension d'entrée multipliée par le rapport de charge (D) du commutateur.
■ Lors de la mise sous tension, le courant inducteur s'échappe de la batterie.
■ Le courant traverse la diode lorsque l'interrupteur est éteint.
■ Ignorez les pertes dans les interrupteurs et les inductances, et D n'a rien à voir avec le courant de charge.
■ Le régulateur abaisseur et ses circuits dérivés se caractérisent par :Le courant d'entrée est discontinu (hachage) et le courant de sortie est continu (lissage).

Conduction critique du régulateur Buck-buck

■ Le courant de l'inductance est toujours continu, mais "atteint" zéro seulement lorsque l'interrupteur est remis sous tension, ce qui est appelé "conduction critique". La tension de sortie est toujours égale à la tension d'entrée multipliée par d.

Régulateur Buck-buck-conduction discontinue

■ Dans ce cas, le courant dans l'inducteur est nul pendant un certain temps à chaque cycle.
■ La tension de sortie est toujours (toujours) la valeur moyenne de v1.
■ La tension de sortie n'est pas la tension d'entrée multipliée par le rapport de charge (D) du commutateur.
■ Lorsque le courant de charge est inférieur à la valeur critique, D change avec le courant de charge (tandis que Vout reste le même).

Régulateur de suralimentation

■ La tension de sortie est toujours supérieure (ou égale) à la tension d'entrée.
■ Courant d'entrée continu et courant de sortie discontinu (à l'opposé du régulateur abaisseur).
■ La relation entre la tension de sortie et le rapport de charge (D) n'est pas aussi simple que dans les régulateurs abaisseurs. Dans le cas d'une conduction continue :

Dans cet exemple, Vin = 5, Vout = 15 et D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

Fonctionnement du transformateur (y compris la fonction d'inducteur primaire)

■ Le transformateur est considéré comme un transformateur idéal et son inductance primaire (magnétisation) est connectée en parallèle avec le primaire.

Transformateur flyback

■Ici, l'inductance primaire est très faible, ce qui est utilisé pour déterminer le courant de pointe et l'énergie stockée. Lorsque l'interrupteur principal est éteint, l'énergie est transférée au secondaire.

Transformateur convertisseur avant avant

■ L'inductance primaire est élevée car il n'est pas nécessaire de stocker de l'énergie.
■ Le courant magnétisant (i1) circule dans « l'inducteur magnétisant » pour démagnétiser le noyau magnétique (tension inverse) après la mise hors tension de l'interrupteur primaire.

Sommaire

■ Ici, la topologie de circuit la plus courante dans la conversion de puissance à découpage est passée en revue.
■ Il existe de nombreuses autres topologies, mais la plupart d'entre elles sont des combinaisons ou des variantes des topologies décrites ici.
■ Chaque topologie contient des compromis de conception uniques :1) la tension appliquée à l'interrupteur2) Couper et lisser le courant d'entrée et de sortie3) Taux d'utilisation du bobinage
■ Le choix de la meilleure topologie nécessite des recherches :1) plage de tension d'entrée et de sortie2) Plage actuelle3) Le rapport coût/performance, taille/poids

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