SciTech-EECS-Power-SPS开关电源常用拓扑: Buck/Boost/Buck-Boost/Pull-Push/正激/Flyback反激/全桥/半桥

SciTech-EECS-Power-SPS开关电源常用拓扑:

汇总几种常见的开关电源拓扑结构及应用

[导读]

• 拓扑(电路拓扑): 是 "功率器件(常用 二极管+BJT/FET/IGBT/SCR)" 和 "电磁元件(电感/变压器)" 在电路的连接方式，
  
  而 磁性元件设计，闭环补偿电路设计 及其他所有电路元件设计都取决于拓扑。

• 正激 VS 反激:
  
  正激 是 开关管 导通时 Vout 有电流。
  
  反激 是 开关管 截止时 Vout 有电流。开关管 导通时 只为储能元件(例如电感 或 变压器初级侧)储能。

• SPS最基本的拓扑:

  • Buck(降压式)、Boost(升压式) 和 Buck/Boost(升/降压)，
  • Pull-Push(推挽)、正激、单端反激(隔离反激)，
  • 半桥 和 全桥 变化器。

• SPS的常用拓扑结构:
  
  常见拓扑大约有14种，每种都有其特点和适用场合。
  
  因此，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围，才能恰当选择拓扑。选择原则是:

  • 大功率还是小功率，
  • 高压输出还是低压输出，
  • 是否要求器件尽量少
  • 其他。

整理汇总20种基本拓扑，帮助系统掌握每种电路结构的工作原理与基本特性。

下面简单介绍一下常用的开关电源拓扑结构。

开关电源常用拓扑

Buck/Boost/Buck-Boost/Pull-Push/正激/Flyback反激/全桥/半桥

非隔离(输入输出共地GND)只输出一路电压

Buck和Boost电路，都是输出与输入共地，在电路上没有隔离。

• Buck电路
  
  Buck电路也称“降压(step-down)变换器”。电路图如下:
  
  晶体管，二极管，电感，电容和负载构成主环路，
  
  下方的控制环路一般采用PWM(脉冲宽度调制)芯片控制Duty(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。
  
  
• 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。
  
  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，
  
  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。
  
  

输入与输出隔离(用变压器)的能输出多路相互隔离的独立电压

采用变压器后，输出与输入电气隔离，可以多路输出(相互独立)。

• FLY BACK(反激变)换器
  
  应用最多的是单端反激式开关电源。
  
  指使用反激高频变压器 隔离输入 输出环路的开关电源，
  
  与之对应的有正激式开关电源。
  
  

  • 反激(FLY BACK)，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，输出环路无电流;
    • 当开关管关断时，输出变压器释放能量，磁能转化为电能，输出环路有电流。

  • 反激式开关电源，输出变压器 同时 充当储能电感，
    
    整个电源体积小、结构简单，所以得到广泛应用。

    • 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，不适合做大功率电源。

• 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
    
    单端正激变压器又称“buck”转换器。
    
    因其在原边绕组接通电源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。
    
    

• 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" 的 "乙类推挽功率放大器"。
  
  

• 半桥式功率电路
  
  当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过 "电源-S1-T-C2-电源" 及 "电源-C1-T-S2-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。这个电路也相当于降压式拓扑结构。
  
  

• 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：
  
  

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，目的为解决续流管的导通变换效率问题。
    
    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，变换效率低。
  • 用导通电阻非常小的MOS管代替二极管，可以解决变换效率问题，
    
    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
     
     实际应用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。
     
     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
    
    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工作的功率晶体管，承受的最高电压比推挽变换电路工作的晶体管减了1/2。但是，如果输出功率要求相同，晶体管的工作电流将增大。
    
    全桥功率变换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。