几种开关电源拓扑结构的工作细节

电路

1、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

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

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

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

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

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


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

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


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


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



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）

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