本文主要講述常見的開關電源拓撲結構特點和優缺點對比。

常見的拓撲結構，包括Buck降壓、Boost升壓、Buck-Boost降壓-升壓、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward雙晶體管正激等。

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常見的基本拓撲結構

一、基本的脈沖寬度調制波形

這些拓撲結構都與開關式電路有關。基本的脈沖寬度調制波形定義如下：

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二、常見的基本拓撲結構

1、Buck降壓

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把輸入降至一個較低的電壓。

可能是最簡單的電路。

電感/電容濾波器濾平開關后的方波。

輸出總是小于或等于輸入。

輸入電流不連續(斬波)。

輸出電流平滑。

2、Boost升壓

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把輸入升至一個較高的電壓。

與降壓一樣，但重新安排了電感、開關和二極管。

輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降)。

輸入電流平滑。

輸出電流不連續(斬波)。

3、Buck-Boost降壓-升壓

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電感、開關和二極管的另一種安排方法。

結合了降壓和升壓電路的缺點。

輸入電流不連續(斬波)。

輸出電流也不連續(斬波)。

輸出總是與輸入反向(注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入。

“反激”變換器實際是降壓-升壓電路隔離(變壓器耦合)形式。

4、Flyback反激

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如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，而且同時作為變壓器和電感。

輸出可以為正或為負，由線圈和二極管的極性決定。

輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數比決定。

這是隔離拓撲結構中最簡單的。

增加次級繞組和電路可以得到多個輸出。

5、Forward正激

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降壓電路的變壓器耦合形式。

不連續的輸入電流，平滑的輸出電流。

因為采用變壓器，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。

增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。

在每個開關周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。

在開關接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。

6、Two-Transistor Forward雙晶體管正激

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兩個開關同時工作。

開關斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導通。

主要優點：每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓;無需對繞組磁道復位。

7、Push-Pull推挽

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開關(FET)的驅動不同相，進行脈沖寬度調制(PWM)以調節輸出電壓。

良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。

全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。

8、Half-Bridge半橋

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較高功率變換器極為常用的拓撲結構。

開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。

良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。

全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。

9、Full-Bridge全橋

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較高功率變換器最為常用的拓撲結構。

開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。

良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。

全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。

在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。

10、SEPIC單端初級電感變換器

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輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。

與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。

能量通過電容從輸入傳輸至輸出。

需要兩個電感。

11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)

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輸出反相。

輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。

輸入電流和輸出電流都是平滑的。

能量通過電容從輸入傳輸至輸出。

需要兩個電感。

電感可以耦合獲得零紋波電感電流。

三、電路工作的細節

下面講解幾種拓撲結構的工作細節。

1、Buck-降壓調整器-連續導電

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電感電流連續。

Vout是其輸入電壓(V1)的均值。

輸出電壓為輸入電壓乘以開關的負荷比(D)。

接通時，電感電流從電池流出。

開關斷開時電流流過二極管。

忽略開關和電感中的損耗，D與負載電流無關。

降壓調整器和其派生電路的特征是：輸入電流不連續(斬波)，輸出電流連續(平滑)。

2、Buck-降壓調整器-臨界導電

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電感電流仍然是連續的，只是當開關再次接通時“達到”零。這被稱為“臨界導電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以D。

3、Buck-降壓調整器-不連續導電

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在這種情況下，電感中的電流在每個周期的一段時間中為零。

輸出電壓仍然(始終)是v1的平均值。

輸出電壓不是輸入電壓乘以開關的負荷比(D)。

當負載電流低于臨界值時，D隨著負載電流而變化(而Vout保持不變)。

4、Boost升壓調整器

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輸出電壓始終大于(或等于)輸入電壓。輸入電流連續，輸出電流不連續(與降壓調整器相反)。 輸出電壓與負荷比(D)之間的關系不如在降壓調整器中那么簡單。在連續導電的情況下：

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在本例中，Vin = 5 , Vout = 15D = 2/3;Vout = 15 , D = 2/3。

5、變壓器工作(包括初級電感的作用)

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變壓器看作理想變壓器，它的初級(磁化)電感與初級并聯。

6、反激變壓器

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此處初級電感很低，用于確定峰值電流和存儲的能量。當初級開關斷開時，能量傳送到次級。

7、Forward 正激變換變壓器

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初級電感很高，因為無需存儲能量。

磁化電流(i1)流入 “磁化電感”，使磁芯在初級開關斷開后去磁(電壓反向)。

結 語

本文回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。除此之外還有許多拓撲結構，但大多是這些拓撲的組合或變形。 每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：施加在開關上的電壓，斬波和平滑輸入輸出電流，繞組的利用率。 選擇最佳的拓撲結構需要研究：輸入和輸出電壓范圍，電流范圍，成本和性能、大小和重量之比。

審核編輯：湯梓紅