2.1 开关电源的基本分类
(1)按驱动方式分,有自励式和他励式;
(2)按电路控制方式分,有脉宽频率调制(PFM)式、脉调制(PWM)式和PWM与PFM混合式;
(3)按电路组成分,有谐振型和非谐振型;
(4)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分,有隔离式、非隔离式、光耦合式等;
(5)按变换器的工作方式分,有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。
①反激式:电路拓扑简单,元器件少,成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化,利用率低,而且开关器件承受电流峰值很大,广泛应用于数瓦到数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感,容易实现多路输出。
②正激式:拓扑结构形式和反激式变换器相似,虽然磁芯也是单向磁化,但存在着严格意义上的区别,变压器仅起电气隔离作用,而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限,没有得到充分的利用,因此同样的功率,其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路,广泛用于功率为数百瓦到数千瓦的通信电源等电路中。
③半桥式:电路结构较为复杂,但磁芯利用率高,没有偏磁的问题,且功率开关管的耐压要求低,不超过线路的最高峰值电压,克服了推挽式的缺点,适合数百瓦到数千瓦的开关电源、高输入电压的场合。
④全桥式:电路结构复杂,但在所有隔离型开关电源中,采用相同电压和电流容量的开关器件时,全桥型电路可以达到最大的功率。目前,全桥型电路多被用于数百瓦到数千瓦的各种工业用开关电源中。
⑤推挽式:电路形式实际上是两个正激式变换器电路组成,只是工作的相位相反。变换器的磁芯双向磁化,因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的约一倍,但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的产生,应用是需要特别注意,推挽电路适用于数瓦到数千瓦的开关电源。 2.1.1各类拓补结构电源分析
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一.非隔离型开关变换器 (一).降压变换器
Buck电路:降压斩波器,入出极性相同。 由于稳态时,电感充放电伏秒积相等,因此: (Ui-Uo)*ton=Uo*toff, Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff, Ui*ton=Uo(ton+toff), Uo/Ui=ton/(ton+toff)= Δ 即,输入输出电压关系为:
Uo/Ui=Δ(占空比)
图2-2:Buck电路拓补结构
在开关管S通时,输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流;当S关断后,L通过二极管续流,保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用,不会超过输入电源电压。 (二).升压变换器
Boost电路:升压斩波器,入出极性相同。
利用同样的方法,根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理,可以推导出电压关系:
Uo/Ui=1/(1-Δ)
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S L VD C Uo
L VD
IIUi S C Uo
IIII
图2-3:Boost电路拓补结构
这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时,电流通过L平波, 电源对L充电。当S断时,L向负载及电源放电,输出电压将是输入电压Ui+UL,因而有升压作用。 (三).逆向变换器
Buck-Boost电路:升/降压斩波器,入出极性相反,电感传输。 电压关系:Uo/Ui=-Δ/(1-Δ) Ui I
图2-4:Buck-Boost电路拓补结构
S通时,输入电源仅对电感充电,当S断时,再通过电感对负载放电来实现电源传输。
所以,这里的L是用于传输能量的器件。 (四).丘克变换器
Cuk电路:升/降压斩波器,入出极性相反,电容传输。 电压关系:Uo/Ui=-Δ/(1-Δ)。
图2-5:Cuk变换器电路拓补结构
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S VD
IID L C Uo
II
C1 T N2 Ui L1 S L2 C2 VD R Uo
当开关S闭合时,Ui对L1充电。当S断开时,Ui+EL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时,VD关断,C1通过L2、C2滤波对负载放电,L1继续充电。
这里的C1用于传递能量,而且输出极性和输入相反。 二.隔离型开关变换器
1.推挽型变换器
下面是推挽型变换器的电路。
图2-6:推挽型变换电路
S1和S2轮流导通,将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。
由于电感L在开关之后,所以当变比为1时,它实际上类似于降压变换器。 2.半桥型变换器
图2-6给出了半桥型变换器的电路图。
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。
同样地,这个电路也相当于降压式拓补结构。
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S2 N1 T Ui N1 S1 N2 N2 L C R Uo
L C1 2Ui S1 N1 C2 T N2 N2 C R Uo
S2
图2-7:半桥式变换电路 3.全桥型变换器 下图是全桥变换器电路。
图2-8:全桥式变换电路
当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时,一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-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补结构。 4.正激型变换器 下图为正激式变换器。
图2-9:正激型变换器电路
当S导通时,原边经过输入电源-N1-S-输入电源,产生电流。当S断开时,N1能量转移到N3,经N3-电源-VD3向输入端释放能量,避免变压器过饱和。VD1用于整流,VD2用于S断开期间续流。
5.隔离型Cuk变换器
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L S1 Ui S4 S3 S2 N1 T N2 N2 C R Uo
VD3 T N3 Ui S N1 VD1 L N2 C VD2 R Uo