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从历史的角度分析高频开关电源拓扑结构技术演变过程

一、概述
直流电源变换器按输入与输出是否有电气阻隔可分为两类:没有电气阻隔的称为非阻隔的直流电源变换器,有电气阻隔的称为阻隔的直流电源变换器。
根本的非阻隔高频开关电源拓扑主要有六种,即降压变换器(buck),升压变换器(boost),升降压变换器(buck-boost),Cuk变换器,Zeta变换器和Sepic变换器等。在这六种变换器中,降压式变换器和升压式变换器是最根底的,别的四种是从中进化衍生而来。
阻隔的直流电源变换器按有源功率器件的数量来分类。单管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种;双管的有双管正激(Double Transistor Forward Convert)、双管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半桥(Half-bridge Convert)等四种;四管的直流电源变换器就只有全桥直流电源变换器(Full Bridge Convert)。
许多人尤其是高频开关电源的初学者,常常被上述各式各样的高频开关电源拓扑结构给弄的晕头转向,不了解不同拓扑之间的联系。其实各种阻隔拓扑结构全部是由非阻隔拓扑演化而来,通过对它们进行分类、了解演化联系,能够极大的简化我们对高频开关电源的学习,深化了解各种拓扑的特色
二、升压变换器(buck)与降压变换器(boost)
开关变换器取代线性调压早在20世纪60年代就现已开始使用,它通过快速开关晶体管,通过电感或电容滤波后,输出直流电源电压的平均值。通过操控晶体管开关的占空比,能够操控输出电压的巨细。
从历史的角度分析高频开关电源拓扑结构技术演变过程

上图是最早的开关型变换器——buck变换器,当开关管导通时,输入电压通过开关管、电感L1对负载供给能量,一起为L1、C1进行储能;当开关管关断时,L1、C1对负载供给能量,二极管D1为储能电感供给续流泄放途径。
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上图为别的一种最根本的开关变换器拓扑——boost变换器拓扑。当开关管导通时,输入电压对电感L1供给能量进行储能,一起负载由电容C1来供给能量;当开关判别时,输入电压与电感L1通过二极管D1共同为负载供给能量,一起电容C1充电以弥补在开关管判别期间损耗掉的能量。
三、常见阻隔拓扑
前面评论的buck与boost开关变换器拓扑有一个显着的缺陷,就是它们的输入回路和输出回路共地,而且无法完成多路输出。下面介绍的正激变换器、推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器有许多共同的特色,如这些拓扑全部使用变压器把能量传递到负载、输入输出回路阻隔不共地、能够使用变压器多个次级绕组完成多路输出。
1.正激变换器(Forward Convert)
正激变换器由Buck变换器派生而来,如下图所示,在Buck变换器输入端加入变压器对输入信号进行阻隔,再由二极管D3对变压器输出信号进行半波整流输出PWM脉冲信号代替原因由高端开关构成PWM输入。一起,为了简化驱动电路,开关管由高端浮地改为低端开关,构成正激变换器的根本结构(缺磁复位电路没有显示)。当开关管导通时,同名端相关于异名端为正二极管D2正偏,二极管D3反偏,输入功率通过变压器通过D3、L3给负载供给能量,一起给电感L2贮存能量;当开关管关断时,输入能量传递不到副边,电感L2里面存储的能量通过D2传送到负载。
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正激变压器在输出功率150W~200W,输入电压较低,60~250V的场合,正激变换器可能是最广泛使用的拓扑。若输入电压低于60V,则对应最小输入电压所需的初级输入电流就太大。若最大输入电压超越250V,则开关管的最大电压应力太大。若输出功率超越200W,关于任何直流电源输入电压,所需的输入电流太大。
2.推挽变换器
推挽变换器能够了解为由两路正激电路并联构成,如下图所示。因为推挽变换器原边有两个相差180度相位的绕组交流传递能量到副边输出级,所以副边选用带中心抽头的双绕组,并选用全波整流,能够去除在正激变换器中开关管封闭时,由储能电感对外供给能量的周期,整个开关周期都有能量从原边传递到副边。因为不需求储能电感的续流功用,所以续流二极管D2也只能够省掉。即原边输入级选用两路正激变换器的输入级交织并联,副边合理的节约部分整流、滤波电路后,即派生出典型的推挽式高频开关电源变换器。
关于推挽式高频开关电源变换器,因为上面现已提到,整个开关周期都有能量从输入侧传递到输出测,没有储能电感续流供电进程,选用全波或桥式整流后,其输出电压的脉动系数和电流的脉动系数都很小,因而只需求很小的输出滤波电感、电容,就能够得到电压纹波与电流纹波都很小的输出电压,其输出电压特性非常好。其次,因为推挽式高频开关电源中的变压器磁芯属于双向极化,作业在一、三象限,其磁芯使用率较正激变换器更高。别的,推挽式高频开关电源变换器的两个开关管都有一个公共接地端,相关于半桥、全桥拓扑来讲,其驱动电路能够简化许多,这也是推挽拓扑的一个长处。
与其长处一样,推挽拓扑的缺陷一样非常明显。与正激拓扑一样,因为每个开关管在关断期间承受的电压为两倍输入电压(不包括因开关管通断与寄生参数形成的开关尖峰),推挽拓扑不适用于输入电压较高的场合。
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3.反激变换器(Flyback Converter)
前面讲到的几种变换器,除boost外,都是在开关管导通时将能量传递到负载端。这儿要讲的反激变换器则不同,在反激拓扑中,开关管导通时,变压器存储能量,负载电流由输出滤波电容供给;开关管判别时,变压器将存储的能量传递到负载,并给输出电容充电来补偿开关管导通期间输出电容放电耗费的能量。
反激拓扑在高电压、小功率的使用专用(电压不大于5000V,功率几十瓦),如果输入电压较高,初级电流恰当,反派拓扑能够用在输出功率高达150W的高频开关电源中。它最大的长处在于不需求接buck类拓扑都需求的输出电感,使反激变换器结构简化、体积减小、本钱下降。

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