開關(guān)電源基本拓撲結(jié)構(gòu)

開關(guān)變換器基本拓撲結(jié)構(gòu)1/14/20231內(nèi)容要點一概述開關(guān)電源的定義開關(guān)電源的組成開關(guān)電源的分類開關(guān)的發(fā)展趨勢二開關(guān)電源主電路原理與設計Buck型電路Boost型電路正激電路反激電路半橋電路全橋電路推挽電路全波整流和全橋整流

21.開關(guān)電源的定義廣義上說，凡是用半導體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換器電路；轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱開關(guān)電源（SwitchingModePowerSupply，簡稱SMPS）。開關(guān)電源主要組成部分是DC-DC變換器。返回32.開關(guān)電源的組成

圖1開關(guān)一次電源框圖返回（1）變流電路輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流得來，構(gòu)成了交—直—交—直電路。（2）由于開關(guān)電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，體積和重量都遠小于相控整流電源，此外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。43.開關(guān)電源的分類（1）開關(guān)電源以其采用的變換器拓撲結(jié)構(gòu)可以分為降壓（Buck）、升壓（Boost）、升降壓（Buck-Boost）、正激（Forward）、反激（Flyback）、推挽（Push-Pull）、半橋（Half-Bridge）和全橋（Full-Bridge）型等各種模式。

（2）在這些拓撲結(jié)構(gòu)的變換器中，又可以分為工作于PWM硬開關(guān)方式還是工作于軟開關(guān)方式兩大類。

a.PWM硬開關(guān)變換器的開關(guān)管按外加脈沖控制通斷時刻，與開關(guān)管的電流及電壓無關(guān)。因此它通常在高電壓或大電流下被迫開通或強迫關(guān)斷，有較大的dv/dt和di/dt，且開關(guān)過程中，開關(guān)損耗較大，此種方式稱為硬開關(guān)工作模式。

b.另一類為軟開關(guān)變換器，它是通過在前述的各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)的功率電路中的管子在電壓為零或電流為零時通斷，從而可以減小dv/dt和di/dt，且開關(guān)過程損耗可以為零。（3）開關(guān)電源由于它供給不同的負載，就有不同的技術(shù)參數(shù)要求，但主要的都有電壓或電流的穩(wěn)定度（電源及負載變化的影響），輸出電壓或電流范圍，效率，可靠性，電磁兼容等要求。此外各種開關(guān)電源均應有各種必須的保護，以使開關(guān)電源能可靠而穩(wěn)定地工作。返回54.開關(guān)的發(fā)展趨勢

開關(guān)電源應在如下一些方面發(fā)展：（1）.優(yōu)化電路設計是保證開關(guān)電源性能指標的重要前提。（2）.重視結(jié)構(gòu)設計是保證開關(guān)電源產(chǎn)品質(zhì)量的生命。重視熱設計和電磁兼容設計。進行對電源的可靠性分析，保證在正常運行環(huán)境下的使用壽命。（3）.在開關(guān)變換器中選用具有驅(qū)動和自檢保護的智能模塊，使控制線路簡單，保護更可靠。研制和開發(fā)功率集成單元，實現(xiàn)高可靠性。（4）.采用軟開關(guān)技術(shù)。（5）.采用微處理器對開關(guān)電源控制，實現(xiàn)開關(guān)電源微機化。（6）.盡量利用新器件使開關(guān)電源的性能更好。（7）.在從交流市電整流為直流時采用功率因數(shù)校正技術(shù)，減少由于整流濾波所產(chǎn)生的諧波污染。隨著開關(guān)電源的應用范圍越來越廣，對它的技術(shù)性能要求也日益提高，所以對電路拓撲的研究，計算機仿真和優(yōu)化設計，結(jié)構(gòu)設計等各方面均仍進行大量的研究工作。返回61.Buck型電路

Buck變換器是一種降壓式變換器，其輸出電壓平均值總是小于輸入電壓。Buck變換器通過開關(guān)管Q的驅(qū)動信號的占空比D來控制輸出電壓的大小。變換器在工作過程中可能存在如下三種工作狀態(tài)：工作狀態(tài)1：開關(guān)管Q導通，二極管D截止工作狀態(tài)2：開關(guān)管Q截止，二極管D導通工作狀態(tài)3：開關(guān)管Q截止，二極管D截止當電感電流連續(xù)（CCM）時，Buck變換器只有1和2兩種工作狀態(tài)；當電感電流斷續(xù)（DCM）時，Buck變換器有1、2和3三種工作狀態(tài)。返回71.Buck型電路（CCM）

(a)工作狀態(tài)1（）

(b)工作狀態(tài)2（）

圖3Buck變換器電流電壓波形圖2Buck型變換器81.Buck型電路

1.工作狀態(tài)1

2.工作狀態(tài)2

得出根據(jù)以上公式可以得出：或者：9因為，若假定負載電流的脈動很小而可忽略，則。因為電容電流在一個周期中的平均值為零，而電感電流是按直線規(guī)律在和之間變化，則電容在一個周期中的充電和放電的時間相同，各為，且電容充電的平均電流為，于是電容充電的電荷量為電容電壓峰-峰脈動值為將式代入上式，得根據(jù)以上公式則可求出L和C的值。同理我們可以推導DCM工作情況。1.Buck型電路

102.Boost型電路

Boost變換器如圖4所示。它是一個升壓式變換器，其輸出電壓平均值超過輸入電壓。Boost變換器通過開關(guān)管Q的驅(qū)動信號的占空比D來控制輸出電壓的大小。與Buck變換器一樣，Boost變換器在工作過程中也可能存在三種工作狀態(tài)。圖4Boost變換器(a)工作狀態(tài)1

(b)工作狀態(tài)2

返回112.Boost型電路

輸入與輸出電壓關(guān)系：電感電流紋波：輸出電壓紋波圖5Boost變換器的工作波形123.正激電路

電路的工作過程（電路圖5

波形圖6）開關(guān)S開通后，變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長；S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。S關(guān)斷后變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為。變壓器的磁心復位：開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時間的增加而線性的增長，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的一段時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復位。返回133.正激電路

變壓器的磁心復位時間為（復位過程圖7）

(1)

輸出電壓：輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下：

(2)

輸出電感電流不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（2）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，

返回144.反激電路

反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感。工作過程：S開通后，VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長，電感儲能增加；S關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過N2繞組和VD向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為：圖8

反激電路原理圖圖9

反激電路的理想化波形返回154.反激電路

反激電路的工作模式：電流連續(xù)模式：當S開通時，N2繞組中的電流尚未下降到零。輸出電壓關(guān)系：

(3)電流斷續(xù)模式：S開通前，N2繞組中的電流已經(jīng)下降到零。輸出電壓高于式（3）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，，因此反激電路不應工作于負載開路狀態(tài)。返回165.半橋電路

圖10

半橋電路原理圖圖11

半橋電路的理想化波形返回175.半橋電路

工作過程：S1與S2交替導通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，當兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1或S2導通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。返回185.半橋電路由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。

輸出電壓：當濾波電感L的電流連續(xù)時：

(4)如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于式（4）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下， 。返回196.全橋電路

圖12

全橋電路原理圖圖13全橋電路的理想化波形返回206.全橋電路

工作過程：全橋逆變電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。當S1與S4開通后，二極管VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降.S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。返回216.全橋電路

輸出電壓：濾波電感電流連續(xù)時：

(5)輸出電感電流斷續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（5）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，

返回227.推挽電路

圖14

推挽電路原理圖圖15

推挽電路的理想化波形返回237.推挽電路工作過程：推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導通，在繞組N1和N’1兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L的電流也逐漸上升。當兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應避免兩個開關(guān)同時導通。返回247.推挽電路

輸出電壓：濾波電感L電流連續(xù)時：

(6)輸出電感電流不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（6）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，。返回257.推挽電路表1各種不同的間接直流變流電路的比較電路優(yōu)點缺點功率范圍應用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W~幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W~幾十W小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結(jié)構(gòu)復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅(qū)動電路幾百W~幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅(qū)動電路幾百W~幾kW各種工業(yè)用電源，計算機電源等推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏磁問題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源返回268.全波整流和全橋整流

圖16

全波整流電路和全橋整流電路原理圖（a）全波整流電路（b）全橋整流電路雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路。返回278.全波整流和全橋整流

全波整流電路的特點優(yōu)點：電感L的電流只流過一個二極管，回路中只有一個二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個二極管，元件數(shù)較少。缺點：二極管斷態(tài)時承受的反壓是二倍的交流電壓幅值，對器件耐壓要求較高，而