開關電源的主要拓撲結構

開關電源(Switch Mode Power Supply,簡稱SMPS),利用MOSFET或者IGBT作為開關管,輪流工作在導通和關斷的狀態,將一個電壓,通過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。

開關電源有一些常用的拓撲,每種拓撲都有其自身的特點和適應的場合,有其基本操作、優點、缺點等。要根據應用場合選擇最合適的拓撲。

比如:一些拓撲適用於小功率輸出(<200W),有些適合大功率輸出,有些適合高壓輸入,有些適合120V AC或者更低輸入的場合,有些則適合多組(4~5組以上)輸出場合。

對於開關電源,最基本的是脈寬調製模式,定義如下:



下面介紹一些基本的、常用的拓撲結構,看一下這些拓撲結構有什麼特點。

1.  Buck(降壓)模式

Buck為降壓電路,基本上為最簡單的電路,一般的非隔離的DCDC電路就是用的Buck模式。

工作過程:開關管開通時,電流經過電感,電感電流線性上升,輸出Vout;開關管關斷時,續流二極體工作,與電感一起給負載供電,電感電流線性下降,電路保持穩定輸出。

2.Boost(升壓)模式

Boost為升壓電路,電路簡單,我們常用的PFC電路就是應用的此模式。

工作過程:開關管開通時,電流經過電感,電感電流線性上升,這個階段是電感儲能階段;開關管關斷時,續流二極體工作,與電感一起給負載供電,電感電流線性下降。為了保持輸出穩定,根據負載大小選擇合適的儲能電容非常重要。

3. Flyback(反激)模式

Flyback是隔離拓撲結構中最簡單的。適應於中小功率電源,成本較低,適於多路輸出。


工作過程:開關管打開時,變壓器將初級的能量傳輸到次級,同時變壓器儲能;開關管關斷時,變壓器儲存的能量維持輸出電壓的穩定。

反激式電路的變壓器要儲能,所以必須增加氣隙,防止變壓器飽和。但是,變壓器的漏感形成電壓尖峰,可能擊穿開關器件,需要設置鉗位吸收電路。

4. Forward(正激)模式


正激電路的變壓器是一個“純正”的變壓器,負責能量的傳輸和電壓的變換,沒有儲能的作用,而輸出額濾波電感起儲能作用。

工作過程:開關管on時,變壓器將初級的能量傳輸到次級,同時次級電感儲能;開關管off時,變壓器停止工作,輸出靠濾波電感和輸出電容維持輸出電壓的穩定。

該電路的最大問題是:開關管交替工作於通/斷兩種狀態,當開關管關斷時,脈衝變壓器處於“空載”狀態,其中儲存的磁能將被積累到下一個周期,直至電感器飽和,使開關器件燒毀。所以正激電路必須增加磁通復位電路,提供了泄放多餘磁能的渠道。

5. Push-pull(推挽)模式

推挽電路非常適合低輸入電壓高電流的場合,此時的性價比最高。當然了,高輸入電壓也可以用,但是性價比不高。

這種電路結構為對稱性結構,脈衝變壓器原邊是兩個對稱線圈,兩隻開關管接成對稱關係,輪流通斷。

主要優點:高頻變壓器磁芯利用率高、電源電壓利用率高、輸出功率大,驅動電路簡單。工作時,兩隻對稱的功率開關管每次只有一個導通,所以導通損耗小。

主要缺點: 變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高 (至少是電源電壓的兩倍)

6. Half-Bridge(半橋)模式


電路的結構類似於全橋式,只是把其中的兩隻開關管換成了兩隻等值大電容。

主要優點:具有一定的抗不平衡能力,對電路對稱性要求不很嚴格,適應的功率範圍較大,從幾十瓦到千瓦都可以;開關管耐壓要求較低,電路成本比全橋電路低等。

而且在半橋諧振電路中,開關管的開關工作於零電壓零電流模式,大大降低了開關管的開關損耗,進一步提升電源的效率,得到了廣泛的推廣。

7. Full-Bridge(全橋)模式


這種電路結構的特點是:由四隻相同的開關管接成電橋結構驅動脈衝變壓器原邊。

同一組信號驅動倆個交叉的開關管,同時導通/關端,另一組信號驅動另外兩個交叉的開關管,同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷,在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈衝電流。

主要優點:與推挽結構相比,原邊繞組減少了一半,開關管耐壓降低一半。

主要缺點:使用的開關管數量多,且要求參數一致性好,驅動電路複雜,實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。

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