电源变换器电路拓扑

1、 POWER SUPPLY TOPOLOGIES (电源变换器电路拓扑）简介第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、FULL BRIGE电路（全桥式变

2、换器）12、PHASE SHIFT ZVT电路（移相全桥软开关变换器）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应使用场所的要求。为了能够更好选用开关电源的电路拓

3、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 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 （ Lc:临界电感） 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 Vs3、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决定四、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。五、电路的缺点 1、输入

4、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。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 4、利用电感L作为传送能量的元件第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、 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

6、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、利用电感L作为传送能量的元件四、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

7、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：FLYBACK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

8、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、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

9、隙三、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、整流二极管平均电流 6、整流二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图 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、开关变压器的工艺结

10、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

11、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

12、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、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三、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PU

13、SH-PULL会加倍四、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（V

14、DS） 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。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制（若VIN=230V，则 VDS需大于800V），无法做到高功率 2、由于两个

15、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、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，三

16、、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四、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、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. 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