电源变换器电路拓扑简介.ppt

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1、POWER SUPPLY TOPOLOGIES(电源变换器电路拓扑）简介 部门：RD-POWE林仲民 JUL-12-05,绪言：开关电源在各个领域应用非常广范：邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等。随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的变换技术、新的控制理论及新的软件应用到开关电源的缘故，使开关电源的设计更上一层楼，达到频率高、效率高、功率密度高、功率因素高、可靠性高。但同时开关电源也遇到更多问题和实际的要求：能否全面贯彻电磁兼容各项标准；能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产；能否组建大容量电源；电气额定值能否更高（如PF值）或更低（如Vout)；能否使外形更加小形化适

2、应使用场所的要求。为了能够更好选用开关电源的电路拓扑，下面介绍一些常用开关变换器的电路拓扑以供参考。,第1篇：常用开关变换器电路拓扑：,1、BUCK电路（降压变换器）2、BOOST电路（升压变换器）3、BUCK-BOOST电路（降压-升压变换器）4、SEPIC电路（隔离型的升压-降压变换器）5、FLYBACK电路（反激式变换器）6、FORWARD电路（正激式变换器）7、2 SWITCH FORWARD电路（双开关正激式变换器）8、ACTIVE CLAMP FORWARD电路（有源钳位正激变换器）9、HALF BRIGE电路（半桥式变换器）10、PUSH PULL电路（推挽式变换器）11、FUL

3、L BRIGE电路（全桥式变换器）12、PHASE SHIFT ZVT电路（移相全桥软开关变换器）,第1节：BUCK电路（降压变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极体的电流 6、续流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、当Q1导通时IL线性增加，D1截止此时IL和C向负载供电，当IL Io时 IL向C充电也向负载供电 2、当Q1截止时L通过D1形成续流回路，IL向C充电也向负载供电当 ILIo时C向负载供电三、电路主要的概念与关系式：1、电感电流连续与不连续：Lc=(1-D)*R*Ts/2（L

4、c:临界电感）1、看成是一个有低通滤波器的电压斩波器 2、具有降压作用Vo Vs 3、在连续状态下Vo 与负载R无关 4、在不连续状态下Vo由R和D决定五、电路的优点：1、通过调节D的大小，可以得到不同的输出电压 2、电路结构简单六、电路的缺点：1、输入电流是脉动，电源与变换器的输入端需加滤波器 2、在不连续状态下，在一定的Pin下Is峰值电流大，Q1和D1必须具有较高的峰值电压和电流,第2节：BOOST电路（升压变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、输入与输出电压关系 3、开关管的最大电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极管的电流 6、续流二极管的反向工作电压 7、工作波形时

5、序图,二、工作原理：1、当Q1导通时IL线性增加，D1截止此时Co向负载供电 2、当Q1截止时VL和VS串联，以高于VO的电压向C充电同时向负载 供电，此时D1导通三、电路的性质特点：1、由于VL+VS向负载供电，VO大于VS具有升压作用 2、在连续状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随L的增大而减小 3、在不连续状态下，Q1和D1的峰值电流大，同时输出纹波也增加；当L的电流下降为0时，只有C向负载供电，要求较大的电容C才能使纹波小Z 4、利用电感L作为传送能量的元件四、适用的场合：1、APFC电路 2、低、中功率的变换器,第3节：BUCK-BOOST电路（降压-升压变换器、反号器）,一、右图

6、的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极体的电流 6、续流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、当Q1导通时IL线性增加，D1截止此时Co向负载供电 2、当Q1截止时L通过D1、Co形成续流回路，同时向负载供电，此时D1导通三、电路的性质特点：1、通过调节开关占空比D的大小，得到需要的输出电压（可升降压）2、在连续状态下，输入输出电流是脉动的，输出纹波电流随L的增大而减小 3、在不连续状态下，Q1和D1的峰值电流大，同时输出纹波也增加；当L的电流下降为0时，只有C向负载供电，要求较大的电容C才能使纹波小 4、利用

7、电感L作为传送能量的元件 5、输出电压是反相的四、电路的优缺点 1、电压增益可升压或降压是它的主要优点 2、它的应用电路稍显复杂，输入输出电流是脉动的，为了平波要加滤波器 3、Q1的驱动不共地，会使线路构成复杂化，元件增加,第4节：SEPIC电路（隔离型的升压-降压变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、续流二极管的电流 6、续流二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理 1、当Q1导通时IL1线性增加，C通过Q1和L2放电，此时D1载止Co放电向负载供电 2、当Q1截止时L1通过C、D1、Co形成续流回路，同时

8、L2通过D1、Co形成续流回路这两个续流回路也向负载供电 三、电路的特点：1、输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感L1和L2的值，可使交流纹波电流的值为任意的小 2、不需要再附加输入/输出的抗电磁干扰的滤波器 3、通过调节开关占空比D的大小，得到需要的输出电压（可升降压）4、主要的能量转换元件是电容C，同时起到输入和输出隔离的作用 5、电路拓扑较佳，但并不广为使用，原因是能量转换电容C需要耐受极大的纹 波电流，这样电容的成本高，可靠性也稍差一些四、适用场合：1、常见用在USB外设电源，可以先升压再降压的办法，2、适合应用在需要多种输出电压的场合；3、用在低电压，小功率的变换器,第5节：F

9、LYBACK电路（反激式变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流 6、整流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、当Q1导通时ILNP线性增加，变压器一次侧储能，Co放电向负载供电，此时D1载止 2、当Q1截止时变压器一次侧储存的能量通过二次侧泄放，此时LNS通过D1向Co充电并负载 供电三、电路特点：1、开关管的电压应力（VDS）实际应用上，由于开关变压器 一次侧漏感的存在开关管的电压应力会大于Vin+Vout*(Np/Ns)，对开关的选择要求高 2、输入输出电流是脉动的，输入输出电

10、路都要加相应的滤波回路 3、电路结构简单，通过控制占空比D的大小（一般小于0.48）得到不同的输出电压 4、开关变压器起变压与扼流圈的作用，在输出部分不需要额外的电感器，但在实际应用中为了抑制高频的转换杂讯，要加小型的电感器 5、变压器的B-H特性曲线在单一方向来做转换（类磁工作状态），铁芯需较大的尺寸和相应的空气间隙四、适用场合：适用在中、小功率的变换器，我们公司的自制ADAPTER、自制PWPC板其中DC-DC回路均采 用此电路架构。,第6节：FORWARD电路（正激式变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极管平

11、均电流 6、整流二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、当Q1导通时ILNP线性增加变压器磁芯储能，同时通过二次侧向输出回路转送能量；此时D1导通D2截止ILNS向L和Co储能并向负载供电 2、当Q1截止时变压器一次侧漏感储存的能量通过D3、泄放绕组和Q1的结电容进行泄放；此时L通过飞轮二极体D2续流、Co放电，这两回路向负载供电三、电路特点：1、开关管的电压应力（VDS）高，达到2倍Vin对开关管选择要求高 2、输入电流是脉动的，输出电流是连续，适当选取L感量可使输出纹波电流较小 3、通过控制占空比D的大小得到不同的输出电压 4、对输出滤波电容的要求低 5、开关变压器的工

12、艺结构稍显复杂 6、使用正激变压器，初次级绕组有相同的极性 7、为了使能量有效转移，在输出端要有储能电感 8、变压器的B-H特性曲线在单一方向来做转换（类磁工作状态），铁芯需较大的尺寸和相应的空气间隙 9、占空比D要小于0.5，若大于0.5将会破坏磁芯伏特-秒积分作用的平衡，使变压器趋于饱和产生极高的开关电流破坏开关管 10、第三绕组要与初级绕组紧密绕制，可减少由漏感产生的致命的电压波尖四、适用场合：适用在低、中功率的变换器，受开关管的电压应力和峰值电流的限制，一般Pout在200W以下,第7节：2 SWITCH FORWARD电路（双开关正激式变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压

13、增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流 6、整流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、当Q1、Q2导通时ILNP线性增加变压器磁芯储能，同时通过二次侧向输出回路转送能量；此时D1导通D2截止ILNS向L和Co储能并向负载供电 2、当Q1、Q2截止时变压器一次侧漏感储存的能量通过D3、泄放绕组和Q1 的结电容进行泄放；此时L通过飞轮二极体D2续流、Co放电，这两回路向负载供电三、电路特点：1、两个开关管同时ON或OFF，开关管所承受的电压应力不会超过VIN（由于二极体D1、D2钳位作用）2、其它特点与单管正激式转换器相同四、适用场

14、合：1、适用在中、小功率的变换器 2、可应用于多路输出，但每路输出部份都要有额的飞轮二极体和扼流圈,第8节：ACTIVE CLAMP FORWARD电路（有源钳位正激变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流 6、整流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、当Q1导通、Q2截止时ILNP线性增加变压器磁芯储能，同时通过二次侧向输出回路转送能量；此时D1导通D2截止ILNS向L和Co储能并向负载供电 2、当Q1截止、Q2导通时变压器一次侧漏感储存的能量通过Q2、C1进行泄放；此时L通过飞轮

15、二极体D2续流、Co放电，这两回路向负载供电三、电路特点 1、与一般单管正激式转换器电路特点大致相同 2、具优赿的有源钳位泄放回路，转换器的效率较高，但同时电路的成本增加四、适用场合：1、适用在低、中功率的变换器,第9节、HALF BRIGE电路（半桥式变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、二极管的平均电流 6、二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、HALR BRIGE电路的从PUSH-PULL电路演变而来，工作原理类似推挽式转换器；主要的区别是变压器的一端接到C1、C2串联所产生的浮点电压VIN/2

16、，另外一端接到Q1、Q2的漏、源极接头处。2、当Q1 ON、Q2 OFF时：变压初级产生+VIN/2的脉波；当Q1 OFF、Q2 ON时：变压初级产生VIN/2的脉波；此脉动电压经由变压器转换降低为次级电压。三、电路的优点：1、不需要使用高压电晶体 2、变压器不需要有间隙四、电路的缺点：1、由于变压器电压被减少为VIN/2，开关管的峰值电流相对于PUSH-PULL会加倍五、实际应用：1、使用半桥式转换器较为流行；2、在应用上电路要加平衡铁芯正反相伏特-秒区间的回路，即在变压器初级线圈串联一个电容；串联耦合电容使用薄膜非极性电容，要有较低的ESR值 3、在Q1、Q2的漏源极并联两个高速回复类型的

17、二极体；目的是：当负载突然没有的情况下，可以防止在开关管ON时VDS摇摆至负电位，并联的二极体可以旁路，可以避免开关管逆向导通造成管子损坏 4、受开关管峰值电流的限制，适用在中、低功率转换器,第10节、PUSH PULL电路（推挽式变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、整流二极体的平均电流 6、整流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、推挽式转换器由二个反相位工作的顺向式转换器组合而成；在每一半周内，推挽转换器会将功率传导至输出负载 2、Q1、Q2轮流导通：当Q1导通、Q2截止时二次侧感应电压的极性是

18、上“+”下“，此时D1导通，导通电流向L储能并向负载供电 当Q1截止、Q2导通时二次侧感应电压的极性是上“”下“+“，此时D2导通，导通电流向L储能并向负载供电 当Q1、Q2同时截止时（较短）二极体D1与D2同时导通，会将隔离变压器的次级短路，並将功率传导至输出，其动作就如飞轮二极体，此时电感L续流向负载供电三、电路特点：1、占空比D的值必须小于0.5，为了避免开关管同时导通而破坏管子 2、电路结构较复杂，两个桥臂的电气特性要对称，变压器初次级绕组都有中间抽头四、电路优点：1、变压器磁芯工作在类工作状态，铁芯的大小仅需反激式或正激式的一半，空气间隙也不需要五、电路缺点：1、受开关管电压应力的限

19、制（若VIN=230V，则VDS需大于800V），无法做到高功率 2、由于两个桥臂电气特性的差异，造成二个管子的推挽在正反2个区域的伏特-秒积分不平衡，就会在一个方向上发生“磁通摆动”，这样恶性循环管子容易损坏六、实际应用：1、由于上述问题的存在，应用上通常加大铁芯的gap和增加箝制器回路；有的采用对称的修正电路（电路复杂，成本高），用在中、低功率的转换器。,第11节、FULL BRIGE电路（全桥式变换器）,一、右图的内容：1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、二极管的平均电流 6、二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、变压

20、器铁芯工作状态类似半桥转换器，工作在类状态下；Q1、Q3两桥臂与Q2、Q4两桥臂轮流同时导通或同时截止 2、当Q1、Q3导通时二次侧感应电压的极性是上“+”下“，此时D1导通，导通电流向L储能并向负载供电 3、当Q2、Q4导通时二次侧感应电压的极性是上“”下“+“，此时D2导通，导通电流向L储能并向负载供电三、电路优点：1、开关管的电压应力小，峰值电流小 2、变压器铁芯的尺寸无需太大，四、电路的缺点：1、必须使用四个管子 2、每个开关管必须用到隔离的栅极控制电路五、实际应用：1、适用于中、高功率的转换器,第12节、PHASE SHIFT ZVT电路（移相全桥软开关变换器）,一、右图的内容：1、

21、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS）5、二极管的电流 6、二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图,二、工作原理：1、由于电路工作状态在一个周期内可以分为两个完全一样的过程，所以以下仅仅分析半个周期的情 况 而这半个周期又可分为以下四种开关模态。开关模态1：Q1和Q3同时导通，变压器副边电感L1和整流管D2导通，原边能量向负载端传递，此 时L1储能、L2放能（稳态下L2已储有磁能）。开关模态2：当关断Q3时刻，此时副边电感L1中储存的能量产生续流电流给Q3结电容(或并联电容)充电，同时将Q4两端电容电荷放掉。为了实现软开关，Q3关断和Q4开通之间至少要存

22、在一死区时 间t1，使得在Q4开通前D4（并联在Q4漏源极）首先导通.开关模态3：Q1和Q4同时导通，电路副边导通情况与以上的模态2一致，此时D1截止D2导通L1放能、L2继续放能，这两个回路同时向负载供电 开关模态4：当关断Q1时刻，副边电感L1中储存的能量产生续流电流给Q1结电容(或并联电容)充电，同时将Q2两端电容电荷放掉。为了实现软开关，Q1关断和Q2开通之间至少要存在一 死区时间 t1，使得在Q2开通前D2（并联在Q2漏源极）首先导通.2、Q1关断后，D2和Q4导通，这时候就可以给Q2以开通触发信号了，当电流反向后，Q2、Q4导通，能量再次从原边传递到副边，于是Q2、Q4都是零电压开

23、通。由于对称性，剩下的半个周期的工作状况与以上完全相同。由此可以得到负载端输出电压。三、电路特点：1、开关管的电压应力小，峰值电流小2、变压器铁芯的尺寸无需太大3、超前臂开关管和滞后臂开关管的ZVS都利用了次级输出滤波电感的能量来实现，因此串联在原 边的电感值可以大大减小，甚至可以不需要串联电感，只用变压器的原边漏感。4、软开关实现时能量由副边电感和原边电感共同提供，因此可以在较宽的负载范围内实现ZVS。5、必须使用四个管子6、每个开关管必须用到隔离的栅极控制电路，控制回路较复杂四、实际应用：1、适用于中、高功率的转换器 2、TPV设计的INVERTER（OZ回路）与此电路相似，区别的地方是：超前臂开关管和滞后臂开关管的ZVS都利用了初级串联的转换电容的能量来实现。,