开关电源拓扑的优缺点对比

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：

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Buck-降压调整器-连续导电

特点

■ 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)。

Buck-降压调整器-临界导电

特点

■ 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。

Buck-降压调整器-不连续导电

特点

■ 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)。

Boost升压调整器

特点

■ 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.

变压器工作(包括初级电感的作用)

特点

■ 变压器看作理想变压器，它的初级(磁化)电感与初级并联。

反激变压器

特点

■ 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。

Forward 正激变换变压器

特点

■ 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)。

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