开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构

1、基本名词

常见的基本拓扑结构

■Buck降压

■Boost升压

■Buck-Boost降压-升压

■Flyback反激

■Forward正激

■Two-Transistor Forward双晶体管正激

■Push-Pull推挽

■Half Bridge半桥

■Full Bridge全桥

■SEPIC

■C’uk

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：

2、Buck降压

特点
■把输入降至一个较低的电压。
■可能是最简单的电路。
■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。
■输出总是小于或等于输入。
■输入电流不连续 (斩波)。
■输出电流平滑

3、Boost升压

特点
■把输入升至一个较高的电压。
■与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。
■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。
■输入电流平滑。
■输出电流不连续 (斩波)。

4、Buck-Boost降压-升压

特点
■电感、开关和二极管的另一种安排方法。
■结合了降压和升压电路的缺点。
■输入电流不连续 (斩波)。
■输出电流也不连续 (斩波)。
■输出总是与输入反向 (注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。
■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。

5、Flyback反激

特点
■如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。
■输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。
■输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。
■这是隔离拓扑结构中最简单的
■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

6、Forward正激

特点
■降压电路的变压器耦合形式。
■不连续的输入电流，平滑的输出电流。
■因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。
■增加次级绕组和电路可以获得多个输出。
■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。
■在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。

7、Two-Transistor Forward双晶体管正激

特点
■两个开关同时工作。
■开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。
■主要优点：
■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。
■无需对绕组磁道复位。

8、Push-Pull推挽

特点
■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。

9、Half-Bridge半桥

特点
■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FET上的电压与输入电压相等。

10、Full-Bridge全桥

特点
■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
■开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
■全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在 FETs上的电压与输入电压相等。
■在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。

11、SEPIC单端初级电感变换器

特点
■输出电压可以大于或小于输入电压。
■与升压电路一样，输入电流平滑，但是输出电流不连续。
■能量通过电容从输入传输至输出。
■需要两个电感。

12、C’uk(Slobodan C’uk的专利)

特点
■输出反相
■输出电压的幅度可以大于或小于输入。
■输入电流和输出电流都是平滑的。
■能量通过电容从输入传输至输出。
■需要两个电感。
■电感可以耦合获得零纹波电感电流。

13、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：
连续导电
临界导电
不连续导电
■升压调整器 (连续导电)
■变压器工作
■反激变压器
■正激变压器

14、Buck-降压调整器-连续导电

■电感电流连续。
■Vout 是其输入电压 (V1)的均值。
■输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 (D)。
■接通时，电感电流从电池流出。
■开关断开时电流流过二极管。
■忽略开关和电感中的损耗, D与负载电流无关。
■降压调整器和其派生电路的特征是：
输入电流不连续 (斩波), 输出电流连续 (平滑)。

15、Buck-降压调整器-临界导电

■电感电流仍然是连续的，只是当开关再次接通时 “达到”零。
这被称为 “临界导电”。
输出电压仍等于输入电压乘以D。

16、Buck-降压调整器-不连续导电

■在这种情况下，电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。
■输出电压仍然 (始终)是 v1的平均值。
■输出电压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,D随着负载电流而变化(而Vout保持不变)。

17、Boost升压调整器

■输出电压始终大于（或等于）输入电压。
■输入电流连续，输出电流不连续（与降压调整器相反）。
■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.

18、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。

19、反激变压器

■此处初级电感很低，用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时，能量传送到次级。

20、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)。

21、总结

■此处回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。
■还有许多拓扑结构，但大多是此处所述拓扑的组合或变形。
■每种拓扑结构包含独特的设计权衡：
  施加在开关上的电压
  斩波和平滑输入输出电流
  绕组的利用率
■选择最佳的拓扑结构需要研究：
  输入和输出电压范围
  电流范围
  成本和性能、大小和重量之比

编辑：黄飞