一文详解二十种常见开关电源拓扑结构及其工作原理

文摘   2024-09-12 08:40   河北  
拓扑结构是什么呢?简单来说,电路拓扑指的是功率器件与电磁元件在电路中的连接方式。而像磁性元件设计、闭环补偿电路设计以及其他所有电路元件的设计,都依赖于电路拓扑结构的选择。最常见的拓扑有:Buck(降压)、Boost(升压)、Buck/Boost(升降压)、单端反激(隔离反激)、正激、推挽、半桥和全桥等。
在开关电源设计中,拓扑结构大致有14种常见形式,每种都有独特的特点和应用场合。选择合适的拓扑结构时,需要考虑诸如功率大小、输出电压高低、元件数量要求等因素。如果选择不当,电源设计从一开始就会陷入失败的局面。
为了帮助大家更好地理解这些原理,下面我们整理了开关电源的20种基本拓扑结构,帮助你系统掌握每种电路结构的工作原理和基本特性。选对合适的拓扑,对于电源设计的成功至关重要!
一、20种开关电源拓扑对比


在开关电源设计中,不同的拓扑结构有着各自的优势和适用场景。以下是常见的基本拓扑结构:
  • Buck(降压):用于将输入电压降至较低电压。

  • Boost(升压):用于将输入电压提升至更高电压。

  • Buck-Boost(降压-升压):可在输入电压高于或低于输出电压时工作。

  • Flyback(反激):常用于低功率隔离型电源,设计简单。

  • Forward(正激):适合中等功率应用,提供良好的效率。

  • Two-Transistor Forward(双晶体管正激):是一种更可靠的正激电路,适合高功率应用。

  • Push-Pull(推挽):适合对称输出的中功率应用。

  • Half Bridge(半桥):适用于中等功率的隔离型电源。

  • Full Bridge(全桥):用于高功率应用,提供高效率。

  • SEPIC:在输入电压高于或低于输出电压时,依然能维持稳定的输出。

  • C’uk:提供较好的输出纹波控制,适合高压隔离型电源。

二、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,基本的脉冲宽度调制波形定义如下:


三、Buck 降压



特点:
  • 将输入电压降至较低电压

  • 电路简单:Buck电路是开关电源中最简单的拓扑之一,设计容易实现。

  • 电感/电容滤波:使用滤波器来平滑开关后的方波信号,确保输出电压的稳定。

  • 输出电压始终小于或等于输入电压:这种拓扑适合所有需要降压的应用。

  • 输入电流不连续:Buck电路的输入电流呈斩波状,不是连续的。

  • 输出电流平滑:经过滤波后,输出电流相对平稳,适合负载对电流要求较高的场景。

四、Boost 升压



特点:
  • 将输入电压提升至更高电压:适用于需要输出电压高于输入电压的场合。

  • 电感、开关和二极管重新排列:与降压电路类似,但元件的布置方式不同。

  • 输出电压总是大于或等于输入电压:忽略二极管的压降时,输出电压一定高于输入电压。

  • 输入电流平滑:由于电感的作用,输入电流是连续的。

  • 输出电流不连续:输出端的电流呈现出斩波特性,不是连续的。

五、Buck-Boost 降压-升压




特点:
  • 元件排列不同:电感、开关和二极管的布置方式与前两种不同。

  • 结合了升压和降压的缺点:这种电路同时具备升压和降压电路的一些局限。

  • 输入电流不连续:输入电流具有斩波特性。

  • 输出电流不连续:输出端的电流同样不连续。

  • 输出与输入电压极性相反:输出电压的极性与输入电压相反,电压幅度可以大于或小于输入电压(注意电容的极性)。

  • 反激变换器是隔离型的降压-升压电路:通过变压器实现隔离的降压-升压电路。

六、Flyback 反激



特点:
  • 工作原理类似降压-升压电路:电感有两个绕组,起到变压器和电感的双重作用。

  • 输出电压正负可调:输出电压可以为正或负,具体取决于线圈和二极管的极性。

  • 输出电压可大可小:输出电压大小由变压器的匝数比决定,可以高于或低于输入电压。

  • 最简单的隔离拓扑:这是所有隔离型电源拓扑中最为简单的一种。

  • 多个输出:通过增加次级绕组和电路,可以实现多个输出。

七、Forward 正激



特点:
  • 降压电路的变压器耦合版本:工作原理类似于降压电路,但增加了变压器耦合。

  • 不连续输入电流,平滑输出电流:输入电流呈现不连续的特性,但输出电流是连续的。

  • 输出电压灵活:由于变压器的作用,输出电压可以大于或小于输入电压,极性也可以不同。

  • 多个输出:通过增加次级绕组,可以获得多个输出电压。

  • 变压器磁芯去磁:每个开关周期内,需要对变压器磁芯进行去磁,通常通过增加一个与初级绕组匝数相同的绕组来实现。

  • 能量存储与释放:开关接通时,初级电感存储能量;开关断开时,能量通过另外的绕组和二极管释放。

八、Two-Transistor Forward双晶体管正激




特点:
  • 两个开关同时工作:电路中的两个开关需要协同工作。

  • 开关断开时能量释放:变压器中的能量使初级绕组极性反转,二极管导通,完成能量的传递。

主要优点:
  • 开关上的电压不会超过输入电压:这提高了电路的可靠性,减少了对开关元件的电压压力。

  • 无需复位绕组磁芯:相比单晶体管正激电路,双晶体管正激不需要对绕组磁道进行复位处理。

九、Push-Pull 推挽




特点:
  • FET 开关管交替驱动,通过脉冲宽度调制(PWM)调节输出电压。

  • 变压器磁芯利用率高,两半周期均能传输功率。

  • 全波拓扑结构,输出纹波频率为变压器频率的两倍。

  • 施加在 FET 上的电压是输入电压的两倍。

十、Half-Bridge 半桥




特点:
  • 常用于高功率转换器。

  • FET 开关管交替驱动,通过 PWM 控制输出电压。

  • 变压器磁芯利用率高,初级绕组利用率优于推挽电路。

  • 全波拓扑结构,输出纹波频率为变压器频率的两倍。

  • FET 承受的电压等于输入电压。

十一、Full-Bridge 全桥




特点:
  • 最常用的高功率转换器拓扑结构。

  • FET 成对角驱动,通过 PWM 控制输出电压。

  • 变压器磁芯利用率高,两半周期都传输功率。

  • 全波拓扑结构,输出纹波频率为变压器频率的两倍。

  • FET 承受的电压与输入电压相等。

  • 同功率条件下,初级电流为半桥电路的二分之一。


十二、SEPIC 单端初级电感变换器




特点:
  • 输出电压可高于或低于输入电压。

  • 输入电流平滑,但输出电流不连续,类似于升压电路。

  • 能量通过电容从输入端传输至输出端。

  • 需要两个电感。

十三、C'uk(Slobodan C'uk 的专利)



特点:
  • 输出电压反相。

  • 输出电压幅度可以大于或小于输入电压。

  • 输入电流和输出电流都保持平滑,减少噪声。

  • 能量通过电容从输入传输到输出。

  • 需要使用两个电感。

  • 电感可以耦合,获得零纹波的电感电流。

十四、电路工作的细节


下面讲解几种拓扑结构的工作细节:
  • 降压调整器:分为连续导电、临界导电、不连续导电三种模式。

  • 升压调整器:通常工作在连续导电模式下。

  • 变压器工作:包括反激和正激变换器的工作原理。

十五、Buck-降压调整器-连续导电



特点:
  • 电感电流始终连续,不会中断。

  • 输出电压(Vout)是输入电压(V1)的平均值。

  • 输出电压与开关的占空比(D)成正比,Vout = Vin × D。

  • 当开关闭合时,电感电流从电源流出。

  • 当开关断开时,电流通过二极管继续流动。

  • 忽略开关和电感的损耗,D 与负载电流无关。

  • 该电路特性为:输入电流呈斩波状不连续,输出电流平滑连续。

十六、Buck-降压调整器-临界导电


  • 电感电流依然连续,但在每个开关周期结束时刚好降为零,这被称为“临界导电”。

  • 输出电压仍然等于输入电压乘以占空比(D)。


十七、Buck-降压调整器-不连续导电



  • 在不连续导电模式下,电感中的电流在每个周期的一段时间内为零。

  • 输出电压是输入电压的平均值,而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,占空比 D会随着负载电流变化,但输出电压保持不变。

十八、Boost 升压调整器



  • 输出电压始终大于或等于输入电压。

  • 与降压调整器相反,输入电流连续,而输出电流不连续。

  • 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.
十九、变压器工作(包括初级电感的作用)





  • 变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。
二十、反激变压器




  • 初级电感较低,用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时,能量传递到次级绕组。
二十一、Forward 正激变换变压器




  • 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)。
二十二、总结


  • 综述了常见的开关电源转换电路拓扑结构。

  • 还有许多拓扑结构,但大多是这些拓扑的组合或变形。

  • 每种拓扑结构都有独特的设计权衡,包括:

  1. 施加在开关上的电压

  2. 输入输出电流的斩波和平滑

  3. 绕组的利用率

  • 选择最佳拓扑结构需要考虑:

    1. 输入和输出电压范围

    2. 电流范围

    3. 成本、性能、尺寸和重量的比率


    来源:网络
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