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几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

什么是大功率直流电源拓扑呢?所谓电路拓扑就是功率器件和电磁元件在电路中的连接方式,而磁性元件设计,闭环补偿电路设计及其他所有大功率直流电源电路元件设计都取决于拓扑。最基本的拓扑是Buck(降压式)、Boost(升压式)和Buck/Boost(升/降压),单端反激(隔离反激),正激、推挽、半桥和全桥变化器。

下面简单介绍一下常用的开关大功率直流电源拓扑结构。


Buck电路

首先我们要讲的就是Buck电路。

Buck电路也成为降压(step-down)变换器。它的电路图是下面这样的: 

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

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(脉冲宽度调制)芯片控制占空比决定晶体管的通断。

Buck电路的功能是把直流电压Ui转换成直流电压Uo,实现降压目的。


反激变换器

反激式开关大功率直流电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关大功率直流电源,与之对应的有正激式开关大功率直流电源。


反激(FLY BACK),具体是指当开关管接通时,输出变压器充当电感,电能转化为磁能,此时输出回路无电流;

相反,当开关管关断时,输出变压器释放能量,磁能转化为电能,输出回来中有电流。

 几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

反激式开关大功率直流电源中,输出变压器同时充当储能电感,整个大功率直流电源体积小、结构简单,所以得到广泛应用。应用最多的是单端反激式开关大功率直流电源。


优点:元器件少、电路简单、成本低、体积小,可同时输出多路互相隔离的电压;

缺点:开关管承受电压高,输出变压器利用率低,不适合做大功率大功率直流电源。


Boost电路

Boost(升压)电路是最基本的反激变换器。Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。

 几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

上面的图就是Boost电路图。Boost电路是一个升压电路,它的输出电压高于输入电压。


Buck/Boost变换器

Buck/Boost变换器:也叫做升降压式变换器,是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器,但它的输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost变换器可以看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成,合并了开关管。它的电路图如下:

 几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

上面提到的Buck和Boost电路,都是输出与输入共地,在电路上没有隔离。采用变压器后,输出与输入电气隔离,可以多路输出。而反激变换器是隔离变换器中最简单的一种。它分为两种工作模式,断续模式反激变换器和连续模式反激变换器。隔离反激变压器电路图看下面!

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

在这里,隔离变压器起到的作用就是变压和储能电感的作用。


正激变换器

晶体管导通时,将能量传递给负载,截止时靠输出级LC电路维持的变换器成为正激变换器。它有单端正激和双端正激变换器等多种模式。


单端正激变换器

首先看看原理图:

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

单端正激变压器又称“buck”转换器。因其在原边绕组接通大功率直流电源Vi的同时把能量传递到输出端而得名。


双端正激变换器

双端正激也称为非对称桥,由两个功率管和与两个二极管组成电桥,但只有功率管可控导通,变压器单向磁化,没有桥式电路的桥臂直通问题,因此抗干扰能力强。

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

推挽变换器

这种电路结构的特点是:对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称关系,轮流通断,工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

半桥式功率电路

当S1和S2轮流导通时,一次侧将通过大功率直流电源-S1-T-C2-大功率直流电源及大功率直流电源-C1-T-S2-大功率直流电源产生交变电流,从而在二次侧产生交变的脉动电流,经过全波整流转换为直流信号,再经L、C滤波,送给负载。同样地,这个电路也相当于降压式拓扑结构。

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全桥功率电路

全桥功率变换器适用于大功率、高电压场合,它的电路图如下:

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

相关应用

Buck电路

Buck电路是降压变换器,它主要应用于低压大电流领域,目的是为了解决续流管的导通损耗问题。

几种常见的大功率直流电源电源拓扑结构及应用

采用一般的二极管续流,其导通电阻较大,应用在大电流场合时,损耗很大。


另外,用导通电阻非常小的MOS管代替二极管,可以解决损耗问题,但同时对驱动电路提出了更高的要求。


对Buck电路应用同步整流技术,用MOS管代替二极管后,电路从拓扑上整合了Buck和Boost两种变换器,为实现双向DC/DC变换提供了可能。


在需要单向升降压且能量可以双向流动的场合,很有应用价值,如应用于混合动力电动汽车时,辅以三相可控全桥电路,可以实现蓄电池的充放电。


反激变换器


(1) Boost电路

在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计,对于较大的功率输出,如70W以上的DC/DC升压电路,由于专用升压芯片内部开关管的限制,难于做到大功率升压变换,而且芯片的价格昂贵,在实际应用时受到很大限制。

考虑到Boost升压结构外接开关管选择余地很大,选择合适的控制芯片,便可设计出大功率输出的DC/DC升压电路。


(2)Buck/Boost变换器

基本的非隔离和隔离Buck/Boost型变换器以其电路拓扑简洁,输入电压范围高,可升降压,负载短路时可靠性高等优点,广泛应用于中小功率DC/DC变换场合。


正激变换器


双端正激变换器克服了正激变换器中开关电压应力高的缺点,每个开关管只需承受输入直流电压,不需要采用特殊的磁复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位。


它的每一个桥臂都是由一个二极管与一个开关管串联组成,不存在桥臂直通的危险,可靠性高。


因此双端正激变换器具有其他变换器无法比拟的优点,成为目前中大功率变换器中应用最多的拓扑之一。


推挽变换器


推挽变换器是变换器中最早应用的拓扑,而且目前还在广泛应用于DC/DC变换器和DC/AC逆变器。它的输出可以高于或低于输入直流电压。


闭环的主输出在电网和负载变化时可以维持输出稳定,从输出可以很好地对电网变化进行调节。


半桥式功率电路


半桥变换器初级绕组电压仅为输入电压的一般,如果与推挽相同输出功率,初级电流比推挽大一倍,则需要更大电流定额的功率管。

半桥变换器适用于输入电压较高且中等输出功率的场合,因为功率管上的电压定额理想时是输入直流电压。


全桥功率电路


全桥功率变换器适用于大功率、高电压场合。上面曾经指出,在半桥功率变换电路中工作的功率晶体管,承受的最高电压比推挽变换电路中工作的晶体管减了1/2,但是,如果输出功率要求相同的话,晶体管的工作电流将增大。

全桥功率变换电路则是一种既能保持半桥电路功率开关器件承压低,又有推挽电路电流载流小特点的大功率变换电路。

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