種經(jīng)典開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

種經(jīng)典開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目錄開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述開(kāi)關(guān)電源分類(lèi)非隔離式拓?fù)渑e例BUCKBOOSTBUCK-BOOST隔離式拓?fù)渑e例正激式反激式

開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述開(kāi)關(guān)電源主要包括主回路和控制回路兩大部分主回路是指開(kāi)關(guān)電源中功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負(fù)載端?？刂苹芈芬话悴捎肞WM控制方式，通過(guò)輸出信號(hào)和基準(zhǔn)的比較來(lái)控制主回路中的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)電源分類(lèi)開(kāi)關(guān)電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類(lèi)型。非隔離——輸入端與輸出端電氣相通，沒(méi)有隔離。

1、串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是指在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，開(kāi)關(guān)器件與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。例如buck拓?fù)湫烷_(kāi)關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開(kāi)關(guān)電源

2、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是指在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，開(kāi)關(guān)器件與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。例如boost拓?fù)湫烷_(kāi)關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開(kāi)關(guān)電源

3、極性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是指輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對(duì)于輸入端而言，電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。Buck-boost拓?fù)渚褪欠礃O性開(kāi)關(guān)電源隔離式電路的類(lèi)型隔離——輸入端與輸出端電氣不相通，通過(guò)脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離單端——通過(guò)一只開(kāi)關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器；隔離室電路主要分為正激式和反激式兩種正激式：就是只有在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，能量才通過(guò)變壓器或電感向負(fù)載釋放，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉的時(shí)候，就停止向負(fù)載釋放能量。目前屬于這種模式的開(kāi)關(guān)電源有：串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源，buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源，激式變壓器開(kāi)關(guān)電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。

反激式：就是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候存儲(chǔ)能量，只有在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候釋放才向負(fù)載釋放能量。屬于這種模式的開(kāi)關(guān)電源有：并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、boots、極性反轉(zhuǎn)型變換器、反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源。非隔離式拓?fù)渑e例BUCK拓?fù)銪OOST拓?fù)銪UCK-BOOST拓?fù)銪UCK拓?fù)涞木?jiǎn)模型上圖是簡(jiǎn)化之后的BUCK電路主回路。下面分析輸出電壓的產(chǎn)生

1、K閉合后，D關(guān)斷，電流流經(jīng)L，L是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在K接通Ton期間限制大電流通過(guò)，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上，對(duì)R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)把電感電流IL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ)；與R并聯(lián)的C是儲(chǔ)能濾波電容，如此R兩端的電壓在Ton期間是穩(wěn)定的直流電壓

2、在K關(guān)斷期間Toff，L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，流過(guò)電流IL由反電動(dòng)勢(shì)eL的正極流出，通過(guò)負(fù)載R，再經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D，最后回到反電動(dòng)勢(shì)eL的負(fù)極。由于C的儲(chǔ)能穩(wěn)壓，Toff階段的輸出電壓Uo也是穩(wěn)定的直流電壓

K閉合時(shí)，L兩端有壓降，意味著Uo<Ui,BUCK電路一定是降壓電路工作過(guò)程分析工作過(guò)程：1、當(dāng)K導(dǎo)通時(shí)→IL線性增加，D1截止→此時(shí)IL和C向負(fù)載供電當(dāng)IL＞Io時(shí)，IL向C充電也向負(fù)載供電

2、當(dāng)K關(guān)斷時(shí)→L通過(guò)D1形成續(xù)流回路，

IL向C充電也向負(fù)載供電→當(dāng)IL﹤Io時(shí)，L和C同時(shí)向負(fù)載供電。

若IL減小到0,則D關(guān)斷，只有C向負(fù)載供電CCM,DCM由工作過(guò)程分析可以得知，IL可能會(huì)出現(xiàn)斷流的情況。通常我們把電流連續(xù)的模式稱(chēng)為CCM模式，電流斷續(xù)的模式稱(chēng)為DCM模式。當(dāng)然也有兩者之間的臨界情況BCM模式下面就將按照以上三種模式對(duì)電路做具體的分析。注意：Uo,Io作為輸出電壓電流，均認(rèn)為是穩(wěn)定的直流量。臨界情況下的電路各點(diǎn)波形從電路結(jié)構(gòu)可以看出IL的平均值就是輸出電流Io,ΔIL為IL在本周期內(nèi)的最大變化值。觀察上圖的波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流剛好處在臨界狀態(tài)時(shí)，0.5ΔIL=Io，分析化簡(jiǎn)之后可以等效為τ=（1-D1）/2，τ=L/RTs0.5ΔIL<Io時(shí)，即τ>（1-D1）/2

，Io處在連續(xù)的狀態(tài)。0.5ΔIL>Io時(shí)，即τ<（1-D1）/2

，Io則會(huì)出現(xiàn)斷流的情況。電壓增益比M(CCM)電流連續(xù)時(shí)τ>L/RTs，

，（通常定義D1為K導(dǎo)通D關(guān)斷的時(shí)段0到T1占Ts的比例，D2為K關(guān)斷D導(dǎo)通的時(shí)段T1到T2占Ts的比例）此時(shí)D1+D2=1。

1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,由此處可知BUCK電路是一種降壓電路，輸出小于輸入臨界情況下，M的計(jì)算用以上兩種模式下任一種都可以，這里就不做分析了。

電流連續(xù)與否是由0.5ΔIL和Io的大小關(guān)系決定的,調(diào)節(jié)占空比D1或負(fù)載，有可能使工作模式在CCM和DCM模式之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。CCM模式下，電壓增益M就是占空比D1，DCM模式下，電壓增益M和占空比D1則呈現(xiàn)非線性關(guān)系?？傮w上來(lái)看，隨著D1的增大M值會(huì)增加。BOOST拓?fù)浞€(wěn)定電壓輸出的形成：當(dāng)K接通時(shí)，Ui開(kāi)始對(duì)L充電，流過(guò)L的電流iL開(kāi)始增加，同時(shí)電流在L中也要產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)eL，C向R放電，形成穩(wěn)定電壓Uo當(dāng)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，為了保持勵(lì)磁不變，L也會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)eL。eL反電動(dòng)勢(shì)的方向與開(kāi)關(guān)K關(guān)斷前的方向相反，但與電流的方向相同,在控制開(kāi)關(guān)K兩端的輸出電壓uo等于輸入電壓Ui與反電動(dòng)勢(shì)eL之和。在開(kāi)關(guān)關(guān)斷Toff期間，K關(guān)斷，L把電流iLm轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)，與輸入電壓Ui串聯(lián)迭加，通過(guò)整流二極管D繼續(xù)向負(fù)載R提供能量，R兩端形成穩(wěn)定電壓輸出Uo=Ui+ElBOOST輸出電壓高于輸入，是一個(gè)升壓電路工作過(guò)程分析工作過(guò)程：1、當(dāng)K導(dǎo)通時(shí)→IL線性增加，D截止此時(shí)C向負(fù)載供電2、當(dāng)K關(guān)斷時(shí)→Ul和Ui串聯(lián)，以高于Uo的電壓向C充電同時(shí)向負(fù)載供電，此時(shí)D導(dǎo)通,IL逐漸減小若IL減小到0，則D截止，只有C向負(fù)載供電電感電流連續(xù)的臨界條件同BUCK電路相似，也可以從電壓圖形中分析出BOOST電路臨界（BCM）的條件，即當(dāng)IL的平均值就是輸出電流Is,ΔIL為IL在本周期內(nèi)的最大變化值。觀察上圖的波形可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流剛好處在臨界狀態(tài)時(shí)，0.5ΔIL=Io，分析化簡(jiǎn)之后可以等效為，τ=0.5D1(1-D1)(1-D1)τ=L/RTsτ>0.5D1(1-D1)(1-D1)時(shí)，Io處在連續(xù)的狀態(tài)。Τ<0.5D1(1-D1)(1-D1)時(shí)，Io則會(huì)出現(xiàn)斷流的情況。CCM模式下的電壓增益τ>0.5D1(1-D1)(1-D1)時(shí)，IL連續(xù),IL的上升部分為ΔIL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分為ΔIL2=-（Vo-Vi）D2Ts/L，D1是K閉合，D導(dǎo)通的時(shí)間Ton占總周期Ts的比例，D2是K關(guān)斷，D截止的時(shí)間Toff占總周期Ts的比例由以上兩式相等可以得到電壓增益M=Vo/Vi=1/(1-D1)，此時(shí)D1+D2=1由此處可知BOOST電路是一種升壓電路，輸入小于輸出DCM模式下的電壓增益比τ <0.5D1(1-D1)(1-D1)時(shí)，IL不連續(xù),同樣利用IL的上升部分同下降部分相等可以得到電壓增益M=（D1+D2）/D2此時(shí)D1+D2<1，又有IL在Ts內(nèi)的平均值是Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo.從以上兩式可以得到τ=L/RTs電壓增益比M分析電路的工作模式是由τ=L/RTs同D1代數(shù)關(guān)系式0.5D1(1-D1)(1-D1)相對(duì)大小決定的，兩者的關(guān)系見(jiàn)右上圖。由圖形關(guān)系可以看出，當(dāng)τ>0.074時(shí)，無(wú)論D1如何變化都工作在連續(xù)區(qū)域。當(dāng)τ<0.074時(shí)，D1在某一區(qū)間內(nèi)不連續(xù)狀態(tài)，除此為連續(xù)狀態(tài)CCM和DCM模式下的增益比M同D1的關(guān)系見(jiàn)右下圖CCM模式下的供能在CCM模式下，情況則比較復(fù)雜，若Io小于IL的最小值，則K斷開(kāi)之后，L始終是向C和R同時(shí)供電，即處于CISM狀態(tài)下若Io大于IL的最小值，即與IL有交點(diǎn)，則當(dāng)IL下降到Io以下，C開(kāi)始放電，L和C同時(shí)向R供能。核心在于IL和Io大小關(guān)系工作過(guò)程分析1、當(dāng)K導(dǎo)通時(shí)→IL線性增加，D1截止此時(shí)C向負(fù)載供電

2、當(dāng)K截止時(shí)→D1導(dǎo)通,L通過(guò)D、C形成續(xù)流回路，向C充電，向R供電IL小于Io后，C也開(kāi)始放電若IL降為0,則只有C對(duì)負(fù)載R放電電壓增益比這里簡(jiǎn)單推算下CCM（L上的電流連續(xù)時(shí)）模式下的電壓增益比由L上應(yīng)用伏秒定理Ui*Ton=Uo*Toff得增益比M=Uo/Ui=Ton/Toff=D1/D2此時(shí)D1+D2=1,

所以M=D1/(1-D1)從前面的分析可以看出BUCK-BOOST電路在K閉合時(shí)利用L蓄能，在K斷開(kāi)時(shí)向C和R釋放能量，這正是前面所提及的反激式工作模式，在后續(xù)會(huì)在隔離式開(kāi)關(guān)電源中對(duì)這種模式進(jìn)行細(xì)致的分析隔離式拓?fù)渑e例正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源上圖是正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，Ui是開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓，T是開(kāi)關(guān)變壓器，K是控制開(kāi)關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。注意：1、開(kāi)關(guān)變壓器部分，初、次級(jí)線圈的同名端相同，同反激式區(qū)別2、穩(wěn)壓電路部分，儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C，還有續(xù)流二極管D2，就是BUCK電路正激式變壓隔離器的工作過(guò)程這里討論的是變壓器側(cè)的工作情況，后續(xù)電路的工作同BUCK相似K閉合，變壓器正常工作，二次側(cè)電壓與一次側(cè)電壓的變比為n,如上方左圖所示，相當(dāng)于對(duì)BUCK輸入nUiK斷開(kāi)，由于N3繞組的磁復(fù)位和二次側(cè)的二極管D1斷流作用，二次側(cè)輸出相當(dāng)于開(kāi)路，相當(dāng)于BUCK電路的開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，如上方右圖所示電路的幾處設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)占空比:1、若取N3/N1=1，則可以計(jì)算出i30=?i1,Ton=Toff,所以n=1時(shí)，占空比D1應(yīng)當(dāng)控制在0.5以下，以保證電流降為0，反電動(dòng)勢(shì)能量容易放完

2、此外，也可以把比值n調(diào)大些,D1的調(diào)節(jié)范圍更大些在整流二極管D1兩端并聯(lián)一個(gè)高頻電容:1、可以吸收當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷瞬間變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的高壓反電動(dòng)勢(shì)能量，防止整流二極管D1擊穿；

2、電容吸收的能量在下半周整流二極管D1還沒(méi)導(dǎo)通前，它會(huì)通過(guò)放電（與輸出電壓串聯(lián)）的形式向負(fù)載提供能量。電壓增益比從前面的介紹可以發(fā)現(xiàn)，正激式開(kāi)關(guān)變壓電源實(shí)際上是變壓隔離器同BUCK電路串聯(lián)合成的。變壓隔離器起到了變壓開(kāi)關(guān)的作用，通過(guò)K的開(kāi)斷，將高壓直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為了低壓脈沖信號(hào)，輸入到后續(xù)的BUCK電路中，做進(jìn)一步處理輸出穩(wěn)定的直流電壓，這樣強(qiáng)電和弱電信號(hào)也得以分隔開(kāi)來(lái)最終電壓增益比就是兩者增益比的乘積即

M=D1N3/N1(當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí))反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源工作過(guò)程反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作情況同BUCK-BOOST拓?fù)錁O為相似在K接通的Ton期間，輸入電源Ui對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組加電，N1繞組有電流i1流過(guò)，兩端產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)N2繞組的兩端也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，但由于整流二極管的作用，沒(méi)有產(chǎn)生回路電流，相當(dāng)于開(kāi)路，變壓器相當(dāng)與一個(gè)儲(chǔ)能電感。這就近似于BUCK-BOOST拓?fù)渲虚_(kāi)關(guān)閉合情況

當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的電流i1突然為0，而磁通不能突變，因此，在K關(guān)斷的Toff期間，變壓器鐵心中的磁通主要由N2線圈回路中的電流來(lái)維持,N2中產(chǎn)生反激電流，流過(guò)D向電容C和負(fù)載R供電。這就相當(dāng)于BUCK-BOOST拓?fù)渲虚_(kāi)關(guān)關(guān)斷的情況在K由閉合到斷開(kāi)的瞬間，N2側(cè)產(chǎn)生了一定大小的反激電壓和電流，如果N2直