開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳解
主回路—開關(guān)電源中，功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負(fù)載端。
開關(guān)電源（直流變換器）的類型很多，在研究開發(fā)或者維修電源系統(tǒng)時(shí)，全面了解開關(guān)電源主回路的各種基本類型，以及工作原理，具有極其重要的意義。
開關(guān)電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。
1. 非隔離式電路的類型：
非隔離——輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。
1.1. 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)
串聯(lián)——在主回路中開關(guān)器件（下圖中所示的開關(guān)三極管T）與輸入端、輸出端、電感器L、負(fù)載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。
開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對(duì)負(fù)載供電，并同時(shí)對(duì)電感器L充電，當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，電感器L中的反向電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管D自動(dòng)導(dǎo)通，電感器L中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對(duì)負(fù)載R繼續(xù)供電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。
串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。例如buck拓?fù)湫?a href="http://www.parroquiavalmojado.com" target=_blank>開關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開關(guān)電源http://www.eetrend.com/blog/100019740
上圖是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上，對(duì)負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對(duì)流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)T關(guān)斷期間Toff把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；C是儲(chǔ)能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過儲(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，給儲(chǔ)能濾波電感L釋放能量提供電流通路。
在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，儲(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)勢(shì)eL的正極流出，通過負(fù)載R，再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出，最后回到反電動(dòng)勢(shì)eL的負(fù)極。
對(duì)于圖1-2，如果不看控制開關(guān)T和輸入電壓Ui，它是一個(gè)典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動(dòng)直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。
串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
1.2. 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)
并聯(lián)——在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，開關(guān)器件（下圖中所示的開關(guān)三極管T）與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。
開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T對(duì)電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載R靠電容器存儲(chǔ)的電能供電；當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動(dòng)勢(shì)正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電，并同時(shí)對(duì)電容器C充電。
由此可見，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負(fù)載電流，并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對(duì)輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓?fù)湫偷?a href="http://www.parroquiavalmojado.com" target=_blank>開關(guān)電源就是屬于并聯(lián)型式的開關(guān)電源。
并聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：
boots拓?fù)漭敵鲭妷篣o：Uo=Ui（1+D/1-D）=Ui（1/1-D）（D 為占空比）
1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)（inverting）
極性反轉(zhuǎn)——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。（也是串聯(lián)式開關(guān)電源的一種，一般又稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源）
開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T對(duì)電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載RL 靠電容器存儲(chǔ)的電能供電；當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，電感器L中的自感電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載RL供電，并同時(shí)對(duì)電容器C充電；由于續(xù)流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。
反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：
由（1-27）式可以看出，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時(shí)間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比。
2. 隔離式電路的類型：
隔離——輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。
2.1. 單端正激式 single Forward Converte
r（又叫單端正激式變壓器開關(guān)電源 ）
單端——通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器；
正激式：就是只有在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，能量才通過變壓器或電感向負(fù)載釋放，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉的時(shí)候，就停止向負(fù)載釋放能量。目前屬于這種模式的開關(guān)電源有：串聯(lián)式開關(guān)電源，buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源，激式變壓器開關(guān)電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。
反激式：就是在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候存儲(chǔ)能量，只有在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候釋放才向負(fù)載釋放能量。屬于這種模式的開關(guān)電源有：并聯(lián)式開關(guān)電源、boots、極性反轉(zhuǎn)型變換器、反激式變壓器開關(guān)電源。
正激變壓器——脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。
所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。（正激式變壓器開關(guān)電源是推免式變壓器開關(guān)電源衍生過來的，推免式有兩個(gè)控制開關(guān)，正激式改成一個(gè)開關(guān)控制。）
U1是開關(guān)電源的輸入電壓，N是開關(guān)變壓器，T是控制開關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負(fù)載電阻。
在上圖中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，上圖就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了
該電路的最大問題是：開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期，直至電感器飽和，使開關(guān)器件燒毀。圖中的D3與N3構(gòu)成的磁通復(fù)位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。
2.2. 單端反激式 Single F1yback Converter（單端反激式變壓器開關(guān)電源）
所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。
反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電，即原/付邊交錯(cuò)通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件，需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D3、N3構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。
反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓為：
�。�1-110）式中，Uo為反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，Ui變壓器初級(jí)線圈輸入電壓，D為控制開關(guān)的占空比，n為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比。
2.3. 推挽 Push pull （變壓器中心抽頭）式
這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。
主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)電路簡單。
主要缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。
2.4. 全橋式 Full Bridge Converter
這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊�！�
圖中T1、T4為一對(duì)，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端；T2、T3為另一對(duì)，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端。兩對(duì)開關(guān)管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負(fù)交變的脈沖電流。
主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。
主要缺點(diǎn)：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中。
2.5. 半橋式 Half Bridge Converter
電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關(guān)管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。
主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。
DC／DC電源變換器的拓?fù)漕愋?
0 引言
本文的第一部分為“DC／DC電源變換器拓?fù)涞姆诸悺�，第二部分是在參考美國TI公司資料的基礎(chǔ)上撰寫而成的，新增加了各種DC／DC電源變換器的主要特點(diǎn)及PWM控制器的典型產(chǎn)品，另外還按照目標(biāo)對(duì)電路結(jié)構(gòu)、波形參數(shù)和汁算公式中的物理量作了統(tǒng)一。本文的特點(diǎn)足以表格形式歸納了常見DC／DC電源變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．這對(duì)電源專業(yè)的廣大技術(shù)人員是一份不可多得的技術(shù)資料。
1 DC／DC電源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類
DC／DC電源變換器的拓?fù)漕愋椭饕幸韵?3種：
�。�1）Buck Converter降壓式變換器；
�。�2）Boost Conyerter升壓式變換器；
（3）Buck—Boost Converter降壓/升壓式變換器，含極性反轉(zhuǎn)（Inverting）式變換器；
�。�4）Cuk Converter升壓，升壓串聯(lián)式變換器；
（5）SEPIC（Single Endcd Pdimary Inductor Converter）單端一次側(cè)電感式變換器；
�。�6）F1yback Converter反激式（亦稱回掃式）變換器；
�。�7）Forward Converter正激式變換器：
�。�8）Double Switches Forward Converter雙開關(guān)正激式變換器；
（9）Active Clamp Forward Converter有源箝位
�。�0）Half Bridge Converter半橋式變換器；
�。�11）Full Bridge Converter全橋式變換器；
（12）Push pull Convener推挽式變換器：
�。�13）Phase Shift Switching ZVT（Phase Shift Switching Zero Voltage Transition）移相式零電壓開關(guān)變換器。
2 常見DC／DC電源變換器的拓?fù)漕愋?
常見DC/DC電源變換器的拓?fù)漕愋鸵姳?～表3所列。表中給出不同的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)也給出相應(yīng)的電壓及電流波形（設(shè)相關(guān)的電感電流為連續(xù)工作方式）。PWM表示脈寬調(diào)制波形，U1為直流輸入電壓，UDS為功率丌關(guān)管S1（MOSFFT）的漏一源極電壓。ID1為S1的漏極電流。IF1為D1的工作電流，U0為輸出電壓，IL為負(fù)載電流。T為周期，t為UO呈高電平（或低電平）的時(shí)問及開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，D為占空比，有關(guān)系式：D=t/T。C1、C2均為輸入端濾波電容，CO為輸出端濾波電容，L1、L2為電感。
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