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常見開關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn)對比

時間：2021-10-29 15:05:50
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本文主要講述常見的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)對比。




常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括Buck降壓、Boost升壓、Buck-Boost降壓-升壓、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward雙晶體管正激等。




常見的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)



一、基本的脈沖寬度調(diào)制波形



這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都與開關(guān)式電路有關(guān)。



基本的脈沖寬度調(diào)制波形定義如下：





二、常見的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)



1、Buck降壓





  • 把輸入降至一個較低的電壓。


  • 可能是最簡單的電路。


  • 電感/電容濾波器濾平開關(guān)后的方波。


  • 輸出總是小于或等于輸入。


  • 輸入電流不連續(xù)(斬波)。


  • 輸出電流平滑。



2、Boost升壓





  • 把輸入升至一個較高的電壓。


  • 與降壓一樣，但重新安排了電感、開關(guān)和二極管。


  • 輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降)。


  • 輸入電流平滑。


  • 輸出電流不連續(xù)(斬波)。



3、Buck-Boost降壓-升壓





  • 電感、開關(guān)和二極管的另一種安排方法。


  • 結(jié)合了降壓和升壓電路的缺點(diǎn)。


  • 輸入電流不連續(xù)(斬波)。


  • 輸出電流也不連續(xù)(斬波)。


  • 輸出總是與輸入反向(注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入。


  • “反激”變換器實(shí)際是降壓-升壓電路隔離(變壓器耦合)形式。



4、Flyback反激





  • 如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，而且同時作為變壓器和電感。


  • 輸出可以為正或為負(fù)，由線圈和二極管的極性決定。


  • 輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數(shù)比決定。


  • 這是隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡單的。


  • 增加次級繞組和電路可以得到多個輸出。



5、Forward正激





  • 降壓電路的變壓器耦合形式。


  • 不連續(xù)的輸入電流，平滑的輸出電流。


  • 因為采用變壓器，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。


  • 增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。


  • 在每個開關(guān)周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數(shù)相同的繞組。


  • 在開關(guān)接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關(guān)斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。



6、Two-Transistor Forward雙晶體管正激





  • 兩個開關(guān)同時工作。


  • 開關(guān)斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導(dǎo)通。


  • 主要優(yōu)點(diǎn)：每個開關(guān)上的電壓永遠(yuǎn)不會超過輸入電壓；無需對繞組磁道復(fù)位。



7、Push-Pull推挽





  • 開關(guān)(FET)的驅(qū)動不同相，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)以調(diào)節(jié)輸出電壓。


  • 良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。


  • 全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。


  • 施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。



8、Half-Bridge半橋





  • 較高功率變換器極為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


  • 開關(guān)的驅(qū)動不同相，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制以調(diào)節(jié)輸出電壓。


  • 良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優(yōu)于推挽電路。


  • 全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。


  • 施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。



9、Full-Bridge全橋





  • 較高功率變換器最為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


  • 開關(guān)以對角對的形式驅(qū)動，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制以調(diào)節(jié)輸出電壓。


  • 良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。


  • 全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。


  • 施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。


  • 在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。



10、SEPIC單端初級電感變換器





  • 輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。


  • 與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續(xù)。


  • 能量通過電容從輸入傳輸至輸出。


  • 需要兩個電感。



11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)





  • 輸出反相。


  • 輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。


  • 輸入電流和輸出電流都是平滑的。


  • 能量通過電容從輸入傳輸至輸出。


  • 需要兩個電感。


  • 電感可以耦合獲得零紋波電感電流。



三、電路工作的細(xì)節(jié)



下面講解幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作細(xì)節(jié)。



1、Buck-降壓調(diào)整器-連續(xù)導(dǎo)電





  • 電感電流連續(xù)。


  • Vout是其輸入電壓(V1)的均值。


  • 輸出電壓為輸入電壓乘以開關(guān)的負(fù)荷比(D)。


  • 接通時，電感電流從電池流出。


  • 開關(guān)斷開時電流流過二極管。


  • 忽略開關(guān)和電感中的損耗，D與負(fù)載電流無關(guān)。


  • 降壓調(diào)整器和其派生電路的特征是：輸入電流不連續(xù)(斬波)，輸出電流連續(xù)(平滑)。



2、Buck-降壓調(diào)整器-臨界導(dǎo)電





電感電流仍然是連續(xù)的，只是當(dāng)開關(guān)再次接通時“達(dá)到”零。這被稱為“臨界導(dǎo)電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以D。



3、Buck-降壓調(diào)整器-不連續(xù)導(dǎo)電





  • 在這種情況下，電感中的電流在每個周期的一段時間中為零。


  • 輸出電壓仍然(始終)是v1的平均值。


  • 輸出電壓不是輸入電壓乘以開關(guān)的負(fù)荷比(D)。


  • 當(dāng)負(fù)載電流低于臨界值時,D隨著負(fù)載電流而變化(而Vout保持不變)。



4、Boost升壓調(diào)整器





輸出電壓始終大于(或等于)輸入電壓。輸入電流連續(xù)，輸出電流不連續(xù)(與降壓調(diào)整器相反)。



輸出電壓與負(fù)荷比(D)之間的關(guān)系不如在降壓調(diào)整器中那么簡單。在連續(xù)導(dǎo)電的情況下：




在本例中，Vin = 5, Vout = 15, D = 2/3.Vout = 15，D = 2/3.



5、變壓器工作(包括初級電感的作用)





變壓器看作理想變壓器，它的初級(磁化)電感與初級并聯(lián)。



6、反激變壓器





此處初級電感很低，用于確定峰值電流和存儲的能量。當(dāng)初級開關(guān)斷開時，能量傳送到次級。



7、Forward 正激變換變壓器





  • 初級電感很高，因為無需存儲能量。


  • 磁化電流(i1)流入 “磁化電感”，使磁芯在初級開關(guān)斷開后去磁(電壓反向)。




結(jié) 語



本文回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除此之外還有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但大多是這些拓?fù)涞慕M合或變形。



每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含獨(dú)特的設(shè)計權(quán)衡：施加在開關(guān)上的電壓，斬波和平滑輸入輸出電流，繞組的利用率。



選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要研究：輸入和輸出電壓范圍，電流范圍，成本和性能、大小和重量之比。




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