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開關電源的二十種拓撲結構

開關電源的二十種拓撲結構

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2022-03-18 02:32:22 1

基本的脈沖寬度調制波形

這些拓撲結構都與開關式電路有關，基本的脈沖寬度調制波形定義如下：

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Buck 降壓

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特點：

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后的方波

輸出總是小于或等于輸入

輸入電流不連續 (斬波)

輸出電流平滑

Boost 升壓

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特點：

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 (斬波)

Buck-Boost 降壓-升壓

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特點：

電感、開關和二極管的另一種安排方法

結合了降壓和升壓電路的缺點

輸入電流不連續 (斬波)

輸出電流也不連續 (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”變換器實際是降壓-升壓電路隔離（變壓器耦合）形式。

Flyback 反激

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特點：

如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，同時作為變壓器和電感

輸出可以為正或為負，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，由變壓器的匝數比決定。

這是隔離拓撲結構中最簡單的

增加次級繞組和電路可以得到多個輸出

Forward 正激

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特點：

降壓電路的變壓器耦合形式。

不連續的輸入電流，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相同的繞組。

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

Two-Transistor Forward雙晶體管正激

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特點：

兩個開關同時工作。

開關斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導通。

主要優點：

每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓。

無需對繞組磁道復位。

Push-Pull 推挽

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特點：

開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。

*的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。

全波拓撲結構,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。

Half-Bridge 半橋

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特點：

較高功率變換器極為常用的拓撲結構。

開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。

*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于推挽電路。

全波拓撲結構,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。

Full-Bridge 全橋

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特點：

較高功率變換器最為常用的拓撲結構。

開關（FET）以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。

*的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。

全波拓撲結構，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。

SEPIC 單端初級電感變換器

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特點：

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。

能量通過電容從輸入傳輸至輸出。

需要兩個電感。

C'uk(Slobodan C'uk 的專利)

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特點：

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。

電路工作的細節

幾種拓撲結構的工作細節：

降壓調整器：連續導電、臨界導電、不連續導電

升壓調整器 (連續導電)

變壓器工作

反激變壓器

正激變壓器

Buck-降壓調整器-連續導電

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特點：

電感電流連續。

Vout是其輸入電壓 (V1)的均值。

輸出電壓為輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。

接通時，電感電流從電池流出。

開關斷開時電流流過二極管。

忽略開關和電感中的損耗, D 與負載電流無關。

降壓調整器和其派生電路的特征是：

輸入電流不連續 (斬波), 輸出電流連續 (平滑)。

Buck-降壓調整器-臨界導電

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電感電流仍然是連續的，只是當開關再次接通時 “達到”零，這被稱為 “臨界導電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以 D。

Buck-降壓調整器-不連續導電

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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的負荷比 (D)。

當負載電流低于臨界值時,D 隨著負載電流而變化(而 Vout 保持不變)。

Boost 升壓調整器

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輸出電壓始終大于（或等于）輸入電壓。

輸入電流連續，輸出電流不連續（與降壓調整器相反）。

輸出電壓與負荷比（D）之間的關系不如在降壓調整器中那么簡單。在連續導電的情況下：

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Vin = 5
Vout = 15
and D = 2/3
Vout = 15
D = 2/3

變壓器工作（包括初級電感的作用）

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變壓器看作理想變壓器，它的初級（磁化）電感與初級并聯。

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。當初級開關斷開時，能量傳送到次級。

Forward 正激變換變壓器

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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”，使磁芯在初級開關斷開后去磁 (電壓反向)。

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