5种经典开关电源拓扑结构_精品文档PPT文件格式下载.ppt

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例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源2、并联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开关器件与输出端负载成并联连接的关系。

例如boost拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源3、极性反转结构是指输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是：

在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。

Buck-boost拓扑就是反极性开关电源隔离式电路的类型v隔离输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离单端通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；

隔离室电路主要分为正激式和反激式两种v正激式：

就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。

目前属于这种模式的开关电源有：

串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。

v反激式：

就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。

属于这种模式的开关电源有：

并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。

非隔离式拓扑举例vBUCK拓扑vBOOST拓扑vBUCK-BOOST拓扑BUCK降压电路v上图是BUCK电路的经典模型。

晶体管，二极管，电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路一般采用PWM芯片控制占空比决定晶体管的通断。

vBUCK电路的功能：

把直流电压Ui转换成直流电压Uo，实现降压的目的BUCK拓扑的精简模型v上图是简化之后的BUCK电路主回路。

下面分析输出电压的产生输出电压的产生1、K闭合后，D关断，电流流经L，L是储能滤波电感，它的作用是在K接通Ton期间限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对R进行电压冲击，同时把电感电流IL转化成磁能进行能量存储；

与R并联的C是储能滤波电容，如此R两端的电压在Ton期间是稳定的直流电压2、在K关断期间Toff，L将产生反电动势，流过电流IL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D，最后回到反电动势eL的负极。

由于C的储能稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直流电压K闭合时，L两端有压降，意味着UoUi,BUCK电路一定是降压电路电路一定是降压电路工作过程分析v工作过程：

11、当、当KK导通时导通时ILIL线性增加，线性增加，D1D1截止截止此时此时ILIL和和CC向负载供电向负载供电vv当当ILILIoIo时，时，ILIL向向CC充电也向负载供电充电也向负载供电vv22、当、当KK关断时关断时LL通通过过D1D1形成续流回路，形成续流回路，vvILIL向向CC充电也向负充电也向负载供电载供电当当ILILIoIo时，时，LL和和CC同时向负载供电。

同时向负载供电。

vv若若若若ILIL减小到减小到减小到减小到00,则则DD关断，只有关断，只有CC向负载供电向负载供电CCM,DCMv由工作过程分析可以得知，IL可能会出现断流的情况。

v通常我们把电流连续的模式称为CCM模式，电流断续的模式称为DCM模式。

当然也有两者之间的临界情况BCM模式v下面就将按照以上三种模式对电路做具体的分析。

v注意：

Uo,Io作为输出电压电流，均认为是稳定的直流量。

CCM，DCM模式下的各点电压v在K关断期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等于0，则IL呈现左侧图（c）中的波形，电流连续。

若K导通之前IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（c）的波形。

临界情况下的电路各点波形从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io,IL为IL在本周期内的最大变化值。

观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5IL=Io，分析化简之后可以等效为=（1-D1）/2，=L/RTs0.5IL（1-D1）/2，Io处在连续的状态。

0.5ILIo时，即L/RTs，（通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占Ts的比例，D2为K关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例）此时D1+D2=1。

1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,由此处可知BUCK电路是一种降压电路降压电路，输出小于输入电压增益比M（DCM）vL/RTs,同CCM模式相似，同样可以由1式2式相等，得到M=Vo/Vs=D1/（D1+D2），此时D1+D20.5D1（1-D1）（1-D1）时，Io处在连续的状态。

v0.5D1（1-D1）（1-D1）时，IL连续,IL的上升部分为IL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分为IL2=-（Vo-Vi）D2Ts/L，vD1是K闭合，D导通的时间Ton占总周期Ts的比例，D2是K关断，D截止的时间Toff占总周期Ts的比例v由以上两式相等可以得到电压增益M=Vo/Vi=1/（1-D1），此时D1+D2=1v由此处可知BOOST电路是一种升压电路，输入小于输出DCM模式下的电压增益比v0.5D1（1-D1）（1-D1）时，IL不连续,同样利用IL的上升部分同下降部分相等可以得到电压增益M=（D1+D2）/D2v此时D1+D20.074时，无论D1如何变化都工作在连续区域。

当0.074时，D1在某一区间内不连续状态，除此为连续状态vCCM和DCM模式下的增益比M同D1的关系见右下图供能模式问题v下面谈一谈BOOST电路的供能模式问题，当K闭合的时候，是由C向负载供电的，而当K打开时，情况就比较复杂了，可以分为CISM完全电感供能模式和IISM不完全电感供能模式v当电路在DCM下，K打开一定不是完全由电感供能，即IISM.当IL小于Io时，L和C同时向R供电，当IL断流为0时，更是只由C向R供电CCM模式下的供能v在CCM模式下，情况则比较复杂，若Io小于IL的最小值，则K断开之后，L始终是向C和R同时供电，即处于CISM状态下v若Io大于IL的最小值，即与IL有交点，则当IL下降到Io以下，C开始放电，L和C同时向R供能。

v核心在于IL和Io大小关系BUCK-BOOST拓扑v上图是BUCK-BOOST拓扑的精简模型v输出电压的产生：

当K接通的时候，Ui开始对L加电，流过L的电流开始增加，同时电流在L中也要产生磁场；

当K由接通转为关断的时候，L会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经C储能滤波，然后向负载R提供电流输出。

控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。

BUCK-BOOST输出的是一个反极性的电压输出的是一个反极性的电压工作过程分析vv11、当、当KK导通时导通时ILIL线性线性增加，增加，D1D1截止此时截止此时CC向向负载供电负载供电vv22、当、当KK截止时截止时D1D1导导通通,L,L通过通过DD、CC形成续流形成续流回路，向回路，向CC充电，向充电，向RR供供电电vvILIL小于小于IoIo后，后，CC也开始放也开始放电电vv若若ILIL降为降为0,0,则只有则只有CC对负对负载载RR放电放电电流连续相关的各种工作模式v从上面的分析可以看到BUCK-BOOST电路L上的电流可能会断续，也会出现CCM,DCM,BCM三种工作模式，下图就是三种模式下的信号波形图，依次是BCM,DCM,CCM电压增益比v这里简单推算下CCM（L上的电流连续时）模式下的电压增益比由L上应用伏秒定理Ui*Ton=Uo*Toff得增益比M=Uo/Ui=Ton/Toff=D1/D2此时D1+D2=1,所以M=D1/（1-D1）v从前面的分析可以看出BUCK-BOOST电路在K闭合时利用L蓄能，在K断开时向C和R释放能量，这正是前面所提及的反激式工作模式，在后续会在隔离式开关电源中对这种模式进行细致的分析隔离式拓扑举例v正激式变压器开关电源v反激式变压器开关电源正激式变压器开关电源v上图是正激式变压器开关电源的简单工作原理图，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。

1、开关变压器部分，初、次级线圈的同名端相同，同反激式区别v2、稳压电路部分，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是BUCK电路N3绕组的作用v在正激式变压隔离器中N3绕组不可取代，它的核心作用是磁复位磁复位vK关断的瞬间，为了维持励磁磁场不变，变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。

v为了防止在K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组以及一个削反峰二极管D3。

vK闭合时，D3不导通，而当K断开，由于N3的存在，当变压器初级线圈的励磁电流突然为0，D3导通，流过N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用，同时对Ui充电，使变压器铁心中的磁感应强度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置v这就完成了磁芯的磁复位，通过反向充电把磁能重新转换为电能一方面，N3绕组产生的感应电动势通过二极管D3可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；

另一方面，流过N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。

正激式变压隔离器的工作过程v这里讨论的是变压器侧的工作情况，后续电路的工作同BUCK相似vK闭合，变压器正常工作，二次侧电压与一次侧电压的变比为n,如上方左图所示，相当于对BUCK输入nUivK断开，由于N3绕组的磁复位和二次侧的二极管D1断流作用，二次侧输出相当于开路，相当于BUCK电路的开关器件关断，如上方右图所示v首先说明一个基本原理，流过正激式变压器的电流与流过电感线圈的电流不同，流过正激式开关电源变压器中的电流有突变，而流过电感线圈的电流不能突变。

vK接通，瞬间流过正激式开关电源变压器的电流立刻就可以达到某个稳定值，这个稳定电流值是与变压器次级线圈电流大小相关的，把这个电流记为i10，变压器次级线圈电流为i2，那么就是：

i10=ni2，其中n为变压器次级电压与初级电压比。

v随后，i1会线性上升，这是因为流过正激式变压器的电流i1除了i10之外还有一个励磁电流，由i1=Ui*t/L1可知，电流呈线性增长。

各点信号波形K关断后，i10等于0，变压器次级线圈N2绕组回路中的电流i2也等于0，所以，为了维持磁通大小不变，N3绕组产生新的励磁电流，大小等于N1线圈中励磁电流i1被折算到N3绕组中，电流初值i30等于i1/n，这个电流的大小是随着时间下降的。

N3两端是反接到输入Ui上，电压为-Ui,其过程相当于向Ui充电，即磁能转化为电能电路的几处设计细节v占空比:

1、若取N3/N1=1，则可以计算出i30=i1,Ton=Toff,所以n=1时，占空比D1应当控制在0.5以下，以保证电流降为0，反电动势能量容易放完2、此外，也可以把比值n调大些,D1的调节范围更大些v在整流二极管D1两端并联一个高频电容:

1、可以吸收当控制开关K关断瞬间变压器次级线圈产生的高压反电动势能量，防止整流二极管D1击穿；

2、电容吸收的能量在下半周整流二极管D1还没导通前，它会通过放电（与输出电压串联）的形式向负载提供能量。

电压增益比