開關電源的二十種拓樸結構

2022-03-17 128

什麼是拓撲？所謂電路拓樸就是電路中功率元件和電磁元件的連接方式，磁性元件、閉迴路補償電路等所有電路元件的設計都依賴拓樸。最基本的拓樸是降壓、升壓和升壓/降壓、隔離反激式、正激式、推挽式、半橋和全橋轉換器。
開關電源常見的拓樸結構約有14種，每種拓樸結構都有各自的特色和適用場合。選擇的原則是看是大功率還是小功率、高電壓還是低電壓輸出、元件數量是否盡量少。
因此，熟悉不同拓樸的優缺點和應用領域對於正確選擇拓樸非常重要。錯誤的選擇會讓飲食設計從一開始就注定失敗。以下總結了20種基本的開關電源拓樸結構，幫助系統掌握每種電路結構的工作原理與基本特性。

20種開關電源拓樸比較

常見的基本拓樸結構有：■ Buck 降壓■ Boost 升壓■ Buck-Boost 降壓-升壓■ Flyback 反激■ Forward 正激■ Two-Transistor Forward 雙管正激■ Push-Pull 推挽■ Half Bridge 半橋■ Full Bridge 全橋■ SEPIC■ C'uk

基本脈寬調製波形

這些拓樸都與開關電路有關，基本脈寬調變波形定義如下：

三、Buck降壓

功能：
■ 將輸入降低至較低電壓。
■ 可能是最簡單的電路。
■ 電感/電容濾波器對開關後的方波進行平滑處理。
■輸出永遠小於或等於輸入。
■ 斷斷續續輸入電流（斬波）
■ 平滑的輸出電流

升壓升壓

功能：
■ 將輸入電壓提高到更高。
■ 與降壓相同，但電感器、開關和二極體重新排列。
■輸出比總是大於或等於輸入（忽略二極體的正向壓降）
■ 輸入電流平滑
■斷斷續續輸出電流（斬波）

降壓-升壓降壓-升壓

功能：
■ 電感、開關和二極體的另一種排列方法
■ 結合了降壓和升壓電路的缺點。
■ 斷斷續續輸入電流（斬波）
■輸出電流也是不連續的（斬波）
■輸出總是與輸入相反（注意電容器的極性），但幅度可以小於或大於輸入。
■ 「反激式」轉換器其實是降壓-升壓電路隔離的形式（變壓器耦合）。

反激式反激式

功能：
■ 工作原理類似於降壓-升壓電路，但電感器有兩個繞組，既充當變壓器又充當電感器。
■輸出可為正或負，由線圈和二極體的極性決定。
■輸出電壓可以大於或小於輸入電壓，由變壓器的匝數比決定。
■ 這是最簡單的隔離拓樸。
■ 增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。

前進很興奮

功能：
■降壓電路採用變壓器耦合形式。
■ 斷斷續續輸入電流和平滑輸出電流。
■由於使用了變壓器，因此輸出可以大於或小於輸入，並且可以是任意極性。
■ 增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。
■ 變壓器磁芯必須在每個開關週期進行消磁。常見的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。
■ 導通階段儲存在初級電感中的能量在關斷階段透過附加繞組和二極體釋放。

功能：■降壓電路採用變壓器耦合形式。■ 斷斷續續輸入電流和平滑輸出電流。■由於使用了變壓器，因此輸出可以大於或小於輸入，並且可以是任意極性。■ 增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。■ 變壓器磁芯必須在每個開關週期進行消磁。常見的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。■ 導通階段儲存在初級電感中的能量在關斷階段透過附加繞組和二極體釋放。

雙晶體管正激

功能：
■ 兩個開關同時運作。
■當開關關閉時，變壓器中儲存的能量會反轉初級線圈的極性並導通二極體。主要優點：
■ 每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓。
■ 無需重新設定繞線軌跡。

推拉式推拉式

功能：
■開關（FET）驅動不同相並執行脈寬調變（PWM）以調節輸出電壓。
■ 兩個半週期變壓器磁芯功率傳輸利用率良好。
■全波拓樸結構，因此輸出漣波頻率是變壓器的兩倍。
■ 施加在FET 上的電壓是輸入電壓的兩倍。

半橋半橋

功能：
■高功率變換器的拓樸結構非常常用。
■開關（FET）驅動不同相並執行脈寬調變（PWM）以調節輸出電壓。
■ 兩個半週期變壓器磁芯功率傳輸利用率良好。且初級繞組的利用率優於推挽電路。
■全波拓樸結構，因此輸出漣波頻率是變壓器的兩倍。
■施加在 FET 上的電壓等於輸入電壓。

全橋橋

功能：
■ 最常用的高功率轉換器拓樸。
■開關（FET）以對角線對的形式驅動，並執行脈寬調變（PWM）來調節輸出電壓。
■ 兩個半週期變壓器磁芯功率傳輸利用率良好。
■全波拓樸結構，因此輸出漣波頻率是變壓器的兩倍。
■施加在 FET 上的電壓等於輸入電壓。
■ 在給定功率下，初級電流是半橋的一半。

SEPIC 單端初級電感轉換器

功能：
■輸出電壓可以大於或小於輸入電壓。
■ 與升壓電路一樣，輸入電流是平滑的，但輸出電流是不連續的。
■能量透過電容器從輸入傳送到輸出。
■ 需要兩個電感器。

C 'uk（Slobodan C 'uk 的專利）

功能：
■輸出反轉
■輸出電壓的幅度可以大於或小於輸入電壓的幅度。
■ 輸入電流和輸出電流均平滑。
■能量透過電容器從輸入傳送到輸出。
■ 需要兩個電感器。
■ 可耦合電感以獲得零漣波電感電流。

電路工作細節

解釋以下拓撲的工作細節：
■降壓調節器：連續導通、臨界導通、斷續導通。
■ 升壓調節器（連續導通）
■ 變壓器運轉
■ 反激變壓器
■ 正激變壓器

降壓-降壓穩壓器-連續導通

功能：
■ 電感電流是連續的。
■ Vout 是其輸入電壓(V1) 的平均值。
■輸出電壓是輸入電壓乘以開關的負載比 (D)。
■ 開啟時，電感電流從電池流出。
■當開關關閉時，電流流過二極體。
■ 忽略開關和電感的損耗，D 與負載電流無關。
■ 降壓調節器及其衍生電路的特性是：輸入電流是不連續的（斬波），輸出電流是連續的（平滑）。

降壓-降壓調節器-臨界導通

■ 電感電流仍然連續，但只有在開關再次導通時才「達到」零，這稱為「臨界導通」。輸出電壓仍等於輸入電壓乘以d。

降壓-降壓調節器-斷續導通

■ 在這種情況下，在每個週期的一段時間內，電感器中的電流為零。
■輸出電壓仍然（始終）為 v1 的平均值。
■輸出電壓不是輸入電壓乘以開關的負載比 (D)。
■ 當負載電流低於臨界值時，D 隨負載電流變化（而Vout 保持不變）。

升壓調節器

■輸出電壓總是大於（或等於）輸入電壓。
■連續輸入電流與不連續輸出電流（與降壓調節器相反）。
■輸出電壓與負載比 (D) 之間的關係並不像降壓穩壓器那麼簡單。連續導通情況下：

在此範例中，Vin = 5，Vout = 15，D = 2/3。 Vout = 15，D = 2/3。

變壓器的操作（包括初級電感的功能）

■ 變壓器視為理想變壓器，其初級（磁化）電感與初級並聯。

反激變壓器

■這裡，初級電感非常低，用於確定峰值電流和儲存的能量。當初級開關關閉時，能量轉移到次級開關。

正激正激變流變壓器

■ 初級電感較高，因為無需儲存能量。
■ 初級開關關閉後，勵磁電流（i1）流入“勵磁電感”，對磁芯進行消磁（反向電壓）。

總結

■ 這裡回顧了開關電源轉換中最常見的電路拓樸。
■ 還有許多其他拓撲，但其中大多數是此處描述的拓撲的組合或變體。
■ 每種拓樸都包含獨特的設計權衡：1）施加在開關上的電壓2）輸入輸出電流的斬波和平滑3）繞組利用率
■ 選擇最佳拓樸需要進行研究：1）輸入輸出電壓範圍2) 電流範圍3）成本與性能、尺寸與重量的比

免責聲明：本文轉載自《電源系統設計》。本文僅代表作者個人觀點，並不代表Sacco Micro及業界的觀點。僅供轉載分享，支持保護智慧財產權。轉載時請註明原出處及作者。如有侵權，請聯絡我們刪除。

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