開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳解

　　開關(guān)電源（直流變換器）的類型很多，在研究開發(fā)或者維修電源系統(tǒng)時(shí)，全面了解開關(guān)電源主回路的各種基本類型，以及工作原理，具有極其重要的意義。

　　開關(guān)電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

　　1. 非隔離式電路的類型：

　　非隔離——輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。

　　1.1. 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

　　串聯(lián)——在主回路中開關(guān)器件（下圖中所示的開關(guān)三極管T）與輸入端、輸出端、電感器L、負(fù)載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。

　　開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對(duì)負(fù)載供電，并同時(shí)對(duì)電感器L充電，當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，電感器L中的反向電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管D自動(dòng)導(dǎo)通，電感器L中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對(duì)負(fù)載R繼續(xù)供電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。

　　串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。例如buck拓?fù)湫烷_關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開關(guān)電源http://www.eetrend.com/blog/100019740

　　上圖是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上，對(duì)負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對(duì)流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)T關(guān)斷期間Toff把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；C是儲(chǔ)能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過儲(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，給儲(chǔ)能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

　　在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，儲(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)勢(shì)eL的正極流出，通過負(fù)載R，再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出，最后回到反電動(dòng)勢(shì)eL的負(fù)極。

　　對(duì)于圖1-2，如果不看控制開關(guān)T和輸入電壓Ui，它是一個(gè)典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動(dòng)直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。

　　串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

　1.2. 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)

　　并聯(lián)——在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，開關(guān)器件（下圖中所示的開關(guān)三極管T）與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。

　　開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T對(duì)電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載R靠電容器存儲(chǔ)的電能供電；當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動(dòng)勢(shì)正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電，并同時(shí)對(duì)電容器C充電。

　　由此可見，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負(fù)載電流，并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對(duì)輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓?fù)湫偷拈_關(guān)電源就是屬于并聯(lián)型式的開關(guān)電源。

　　并聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：

　　boots拓?fù)漭敵鲭妷篣o：Uo=Ui（1+D/1-D）=Ui（1/1-D）（D 為占空比）

　　1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)（inverting）

　　極性反轉(zhuǎn)——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。（也是串聯(lián)式開關(guān)電源的一種，一般又稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源）

　　開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T對(duì)電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載RL 靠電容器存儲(chǔ)的電能供電；當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，電感器L中的自感電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載RL供電，并同時(shí)對(duì)電容器C充電；由于續(xù)流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。

　　反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：

　　由（1-27）式可以看出，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時(shí)間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比。

　　2. 隔離式電路的類型：

　　隔離——輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。

　　2.1. 單端正激式 single Forward Converte

r（又叫單端正激式變壓器開關(guān)電源 ）

　　單端——通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器；

　　正激式：就是只有在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，能量才通過變壓器或電感向負(fù)載釋放，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉的時(shí)候，就停止向負(fù)載釋放能量。目前屬于這種模式的開關(guān)電源有：串聯(lián)式開關(guān)電源，buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源，激式變壓器開關(guān)電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。

　　反激式：就是在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候存儲(chǔ)能量，只有在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候釋放才向負(fù)載釋放能量。屬于這種模式的開關(guān)電源有：并聯(lián)式開關(guān)電源、boots、極性反轉(zhuǎn)型變換器、反激式變壓器開關(guān)電源。

　　正激變壓器——脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。

　　所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。（正激式變壓器開關(guān)電源是推免式變壓器開關(guān)電源衍生過來的，推免式有兩個(gè)控制開關(guān)，正激式改成一個(gè)開關(guān)控制。）

　　U1是開關(guān)電源的輸入電壓，N是開關(guān)變壓器，T是控制開關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負(fù)載電阻。

　　在上圖中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，上圖就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了

　　該電路的最大問題是：開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期，直至電感器飽和，使開關(guān)器件燒毀。圖中的D3與N3構(gòu)成的磁通復(fù)位電路，提供了泄放多余磁能的渠道。

　2.2. 單端反激式 Single F1yback Converter（單端反激式變壓器開關(guān)電源）

　　所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。

　　反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電，即原/付邊交錯(cuò)通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件，需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D3、N3構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

　　反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓為：

　?。?-110）式中，Uo為反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，Ui變壓器初級(jí)線圈輸入電壓，D為控制開關(guān)的占空比，n為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比。

　　2.3. 推挽 Push pull （變壓器中心抽頭）式

　　這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。

　　主要優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

　　主要缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。

　2.4. 全橋式 Full Bridge Converter

　　這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊?！?　　　　　　　　　　

　　圖中T1、T4為一對(duì)，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端；T2、T3為另一對(duì)，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端。兩對(duì)開關(guān)管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負(fù)交變的脈沖電流。

　　主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。

　　主要缺點(diǎn)：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中。

　　2.5. 半橋式 Half Bridge Converter

　　電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關(guān)管（T3、T4）換成了兩只等值大電容C1、C2。

　　主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。

DC／DC電源變換器的拓?fù)漕愋?

　　0 引言

　　本文的第一部分為“DC／DC電源變換器拓?fù)涞姆诸悺?，第二部分是在參考美?guó)TI公司資料的基礎(chǔ)上撰寫而成的，新增加了各種DC／DC電源變換器的主要特點(diǎn)及PWM控制器的典型產(chǎn)品，另外還按照目標(biāo)對(duì)電路結(jié)構(gòu)、波形參數(shù)和汁算公式中的物理量作了統(tǒng)一。本文的特點(diǎn)足以表格形式歸納了常見DC／DC電源變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．這對(duì)電源專業(yè)的廣大技術(shù)人員是一份不可多得的技術(shù)資料。

　　1 DC／DC電源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類

　　DC／DC電源變換器的拓?fù)漕愋椭饕幸韵?3種：

　?。?）Buck Converter降壓式變換器；

　?。?）Boost Conyerter升壓式變換器；

　　（3）Buck—Boost Converter降壓/升壓式變換器，含極性反轉(zhuǎn)（Inverting）式變換器；

　　（4）Cuk Converter升壓，升壓串聯(lián)式變換器；

　?。?）SEPIC（Single Endcd Pdimary Inductor Converter）單端一次側(cè)電感式變換器；

　?。?）F1yback Converter反激式（亦稱回掃式）變換器；

　?。?）Forward Converter正激式變換器：

　?。?）Double Switches Forward Converter雙開關(guān)正激式變換器；

　?。?）Active Clamp Forward Converter有源箝位

　　（0）Half Bridge Converter半橋式變換器；

　?。?1）Full Bridge Converter全橋式變換器；

　?。?2）Push pull Convener推挽式變換器：

　?。?3）Phase Shift Switching ZVT（Phase Shift Switching Zero VoltageTransition）移相式零電壓開關(guān)變換器。

　2 常見DC／DC電源變換器的拓?fù)漕愋?

　　常見DC/DC電源變換器的拓?fù)漕愋鸵姳?～表3所列。表中給出不同的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)也給出相應(yīng)的電壓及電流波形（設(shè)相關(guān)的電感電流為連續(xù)工作方式）。PWM表示脈寬調(diào)制波形，U1為直流輸入電壓，UDS為功率丌關(guān)管S1（MOSFFT）的漏一源極電壓。ID1為S1的漏極電流。IF1為D1的工作電流，U0為輸出電壓，IL為負(fù)載電流。T為周期，t為UO呈高電平（或低電平）的時(shí)問及開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，D為占空比，有關(guān)系式：D=t/T。C1、C2均為輸入端濾波電容，CO為輸出端濾波電容，L1、L2為電感。