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1、开关电源电路拓扑结构,张超,目录,开关电源拓扑结构综述开关电源分类非隔离式拓扑举例BUCKBOOSTBUCK-BOOST隔离式拓扑举例正激式反激式,开关电源拓扑结构综述,开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。控制回路一般采用PWM控制方式，通过输出信号和基准的比较来控制主回路中的开关器件,开关电源分类,开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。非隔离输入端与输出端电气相通，没有隔离。1、串联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言
2、，开关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源 2、并联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如boost拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源 3、极性反转结构是指输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。Buck-boost拓扑就是反极性开关电源,隔离式电路的类型,隔离输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离 单端通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；隔离室电路主要分为正激式和反激式两种正激式：就是只有在
3、开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开关电源有：并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。,非隔离式拓扑举例,BUCK拓扑BOOST拓扑BUCK-BOOST拓扑,BUCK降压电路,上图是BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管，电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路一般采用PWM芯片
4、控制占空比决定晶体管的通断。BUCK电路的功能：把直流电压Ui转换成直流电压Uo，实现降压的目的,BUCK拓扑的精简模型,上图是简化之后的BUCK电路主回路。下面分析输出电压的产生 1、K闭合后，D关断，电流流经L，L是储能滤波电感，它的作用是在K接通Ton期间限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对R进行电压冲击，同时把电感电流IL转化成磁能进行能量存储；与R并联的C是储能滤波电容，如此R两端的电压在Ton期间是稳定的直流电压 2、在K关断期间Toff，L将产生反电动势，流过电流IL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D，最后回到反电动势eL的负极。由于C的储能
5、稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直流电压K闭合时，L两端有压降，意味着UoUi,BUCK电路一定是降压电路,工作过程分析,工作过程：1、当K导通时IL线性增加，D1截止此时IL和C向负载供电 当IL Io时，IL向C充电也向负载供电 2、当K关断时L通过D1形成续流回路，IL向C充电也向负载供电当 ILIo时，L和C同时向负载供电。若IL减小到0,则D关断，只有C向负载供电,CCM,DCM,由工作过程分析可以得知，IL可能会出现断流的情况。通常我们把电流连续的模式称为CCM模式，电流断续的模式称为DCM模式。当然也有两者之间的临界情况BCM模式下面就将按照以上三种模式对电路做具体的分
6、析。注意：Uo,Io作为输出电压电流，均认为是稳定的直流量。,CCM，DCM模式下的各点电压,在K关断期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（c）的波形。,临界情况下的电路各点波形,从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io,IL为IL在本周期内的最大变化值。观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5 IL=Io，分析化简之后可以等效为=（1-D1）/2，=L/RTs0.5IL（1-D1）/2，Io处在连续的状态。0.5ILIo时，即（1-D1）/2，Io
7、则会出现断流的情况。,电压增益比M(CCM),电流连续时L/RTs，（通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占Ts的比例，D2为K关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例）此时D1+D2=1。1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,由此处可知BUCK电路是一种降压电路，输出小于输入,电压增益比M（DCM）,L/RTs,同CCM模式相似，同样可以由1式2式相等，得到M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)，此时D1+D21。又有Io是IL在Ts内的平均值，即IL等腰三角形面积在Ts时间内的平均值，并且等于Vo/R.固有Io=0.5(D1+D2)Ts(Vs-Vo)D1Ts/L/Ts=Vo/R,两式
8、联合可以解得,临界情况下，M的计算用以上两种模式下任一种都可以，这里就不做分析了。电流连续与否是由0.5 IL和Io的大小关系决定的,调节占空比D1或负载，有可能使工作模式在CCM和DCM模式之间发生转换。CCM模式下，电压增益M就是占空比D1，DCM模式下，电压增益M和占空比D1则呈现非线性关系。总体上来看，随着D1的增大M值会增加。,BUCK电路的效率问题,一般而言，BUCK电路的损耗可以分为导通状态下的直流损耗和导通过程中的交流损耗。其中直流损耗主要是指晶体管T和二极管D在直流导通情况下，自身压降同流过电流 的压降交流损耗则主要集中在开关管T上（不考虑二极管因为其通断时间很短）。通常在开
9、断过程中，T上的电流电压升降是需要时间的，若电流电压同时上升下降并同时结束则交流损耗最小，若电流变化结束电压才开始变化，则整个开断时间最长损耗最大，效率也最低。经过计算可得：E=1/（Po+Pdc+Pac）=Vo/(Vo+1+K VsIoTn/Ts),K是个变值,BOOST拓扑,稳定电压输出的形成：当K接通时，Ui开始对L充电，流过L的电流iL开始增加，同时电流在L中也要产生反电动势eL，C向R放电，形成稳定电压Uo当K由接通转为关断的时候，为了保持励磁不变，L也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反，但与电流的方向相同,在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与
10、反电动势eL之和。在开关关断Toff期间，K关断，L把电流iLm转化成反电动势，与输入电压Ui串联迭加，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，R两端形成稳定电压输出Uo=Ui+ElBOOST输出电压高于输入，是一个升压电路,工作过程分析,工作过程：1、当K导通时IL线性增加，D截止此时C向负载供电2、当K关断时Ul和Ui串联，以高于Uo的电压向C充电同时向负载供电，此时D导通,IL逐渐减小若IL减小到0，则D截止，只有C向负载供电,CCM和DCM模式下的各点电压,由上可知BOOST电路也会出现电感电流断续的情况，即也有CCM 和DCM两种模式，各点电压分别如左右所示在DCM模式下若IL值逐渐减
11、小到Io，则C和L同时向负载放电，若IL值继续减小直至0，则D关断，只有C向负载放电，直到下次周期开始,电感电流连续的临界条件,同BUCK电路相似，也可以从电压图形中分析出BOOST电路临界（BCM）的条件，即当IL的平均值就是输出电流Is,IL为IL在本周期内的最大变化值。观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5 IL=Io，分析化简之后可以等效为，=0.5D1(1-D1)(1-D1)=L/RTs0.5D1(1-D1)(1-D1)时，Io处在连续的状态。0.5D1(1-D1)(1-D1)时，Io则会出现断流的情况。,CCM模式下的电压增益,0.5D1(1-D1)(1-D1)时
12、，IL连续,IL的上升部分为IL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分为IL2=-（Vo-Vi）D2Ts/L，D1是K闭合，D导通的时间Ton占总周期Ts的比例，D2是K关断，D截止的时间Toff占总周期Ts的比例由以上两式相等可以得到电压增益M=Vo/Vi=1/(1-D1)，此时D1+D2=1由此处可知BOOST电路是一种升压电路，输入小于输出,DCM模式下的电压增益比,0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL不连续,同样利用IL的上升部分同下降部分相等可以得到电压增益M=（D1+D2）/D2此时D1+D21，又有IL在Ts内的平均值是Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo.从
13、以上两式可以得到=L/RTs,电压增益比M分析,电路的工作模式是由=L/RTs同D1代数关系式0.5D1(1-D1)(1-D1)相对大小决定的，两者的关系见右上图。由图形关系可以看出，当0.074时，无论D1如何变化都工作在连续区域。当0.074时，D1在某一区间内不连续状态，除此为连续状态CCM和DCM模式下的增益比M同D1的关系见右下图,供能模式问题,下面谈一谈BOOST电路的供能模式问题，当K闭合的时候，是由C向负载供电的，而当K打开时，情况就比较复杂了，可以分为CISM完全电感供能模式和IISM不完全电感供能模式当电路在DCM下，K打开一定不是完全由电感供能，即IISM.当IL小于Io
14、时，L和C同时向R供电，当IL断流为0时，更是只由C向R供电,CCM模式下的供能,在CCM模式下，情况则比较复杂，若Io小于IL的最小值，则K断开之后，L始终是向C和R同时供电，即处于CISM状态下若Io大于IL的最小值，即与IL有交点，则当IL下降到Io以下，C开始放电，L和C同时向R供能。核心在于IL和Io大小关系,BUCK-BOOST拓扑,上图是BUCK-BOOST拓扑的精简模型输出电压的产生：当K接通的时候，Ui开始对L加电，流过L的电流开始增加，同时电流在L中也要产生磁场；当K由接通转为关断的时候，L会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经C储能滤波，然后向负
15、载R提供电流输出。控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。BUCK-BOOST输出的是一个反极性的电压,工作过程分析,1、当K导通时IL线性增加，D1截止此时C向负载供电 2、当K截止时 D1导通,L通过D、C形成续流回路，向C充电，向R供电IL小于Io后，C也开始放电若IL降为0,则只有C对负载R放电,电流连续相关的各种工作模式,从上面的分析可以看到BUCK-BOOST电路L上的电流可能会断续，也会出现CCM,DCM,BCM三种工作模式，下图就是三种模式下的信号波形图，依次是BCM,DCM,CCM,电压增益比,这里简单推算下CCM（L上的电流连续时）模式
16、下的电压增益比由L上应用伏秒定理 Ui*Ton=Uo*Toff得增益比M=Uo/Ui=Ton/Toff=D1/D2此时D1+D2=1,所以 M=D1/(1-D1)从前面的分析可以看出BUCK-BOOST电路在K闭合时利用L蓄能，在K断开时向C和R释放能量，这正是前面所提及的反激式工作模式，在后续会在隔离式开关电源中对这种模式进行细致的分析,隔离式拓扑举例,正激式变压器开关电源反激式变压器开关电源,正激式变压器开关电源,上图是正激式变压器开关电源的简单工作原理图，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是
17、负载电阻。注意：1、开关变压器部分，初、次级线圈的同名端相同，同反激式区别2、稳压电路部分，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是BUCK电路,N3绕组的作用,在正激式变压隔离器中N3绕组不可取代，它的核心作用是磁复位K关断的瞬间，为了维持励磁磁场不变，变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。为了防止在K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组以及一个削反峰二极管D3。K闭合时，D3不导通，而当K断开，由于N3的存在，当变压器初级线圈的励磁电流突然为0，
18、D3导通，流过N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用，同时对Ui充电，使变压器铁心中的磁感应强度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置 这就完成了磁芯的磁复位，通过反向充电把磁能重新转换为电能,一方面，N3绕组产生的感应电动势通过二极管D3可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。,正激式变压隔离器的工作过程,这里讨论的是变压器侧的工作情况，后续电路的工作同BUCK相似K闭合，变压器正常工作，二次侧电压与一次侧电压的变比为n,如上方左图所示，相当于对BUC
19、K输入nUiK断开，由于N3绕组的磁复位和二次侧的二极管D1断流作用，二次侧输出相当于开路，相当于BUCK电路的开关器件关断，如上方右图所示,首先说明一个基本原理，流过正激式变压器的电流与流过电感线圈的电流不同，流过正激式开关电源变压器中的电流有突变，而流过电感线圈的电流不能突变。K接通，瞬间流过正激式开关电源变压器的电流立刻就可以达到某个稳定值，这个稳定电流值是与变压器次级线圈电流大小相关的，把这个电流记为i10，变压器次级线圈电流为i2，那么就是：i10=n i2，其中n为变压器次级电压与初级电压比。随后，i1会线性上升，这是因为流过正激式变压器的电流i1除了i10之外还有一个励磁电流，由
20、i1=Ui*t/L1 可知，电流呈线性增长。,各点信号波形,K关断后，i10等于0，变压器次级线圈N2绕组回路中的电流i2也等于0，所以，为了维持磁通大小不变，N3绕组产生新的励磁电流，大小等于N1线圈中励磁电流i1被折算到N3绕组中，电流初值i30 等于i1/n，这个电流的大小是随着时间下降的。N3两端是反接到输入Ui上，电压为-Ui,其过程相当于向Ui充电，即磁能转化为电能,电路的几处设计细节,占空比:1、若取N3/N1=1，则可以计算出i30=i1,Ton=Toff,所以n=1时，占空比D1应当控制在0.5以下，以保证电流降为0，反电动势能量容易放完 2、此外，也可以把比值n调大些,D1
21、的调节范围更大些在整流二极管D1两端并联一个高频电容:1、可以吸收当控制开关K关断瞬间变压器次级线圈产生的高压反电动势能量，防止整流二极管D1击穿；2、电容吸收的能量在下半周整流二极管D1还没导通前，它会通过放电（与输出电压串联）的形式向负载提供能量。,电压增益比,从前面的介绍可以发现，正激式开关变压电源实际上是变压隔离器同BUCK电路串联合成的。变压隔离器起到了变压开关的作用，通过K的开断，将高压直流信号转换成为了低压脉冲信号，输入到后续的BUCK电路中，做进一步处理输出稳定的直流电压，这样强电和弱电信号也得以分隔开来最终电压增益比就是两者增益比的乘积即 M=D1N3/N1(当电感电流连续时
22、),反激式变压器开关电源,上图是反激式变压器开关电源的精简电路图。Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻，二极管D起到的是反向阻流的作用注意：变压器次级线圈的同名端对调一下，原来变压器输出电压的正、负极性就会完全颠倒过来,反激式变压器开关电源工作过程,反激式变压器开关电源的工作情况同BUCK-BOOST拓扑极为相似在K接通的Ton期间，输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电，N1绕组有电流i1流过，两端产生自感电动势，同时N2绕组的两端也产生感应电动势，但由于整流二极管的作用，没有产生回路电流，相当于开路，变压器相当与一个储能电感。这就近似于B
23、UCK-BOOST拓扑中开关闭合情况,当控制开关K由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流i1突然为0，而磁通不能突变，因此，在K关断的Toff期间，变压器铁心中的磁通 主要由N2线圈回路中的电流来维持,N2中产生反激电流，流过D向电容C和负载R供电。这就相当于BUCK-BOOST拓扑中开关关断的情况,在K由闭合到断开的瞬间，N2侧产生了一定大小的反激电压和电流，如果N2直接接在负载R上则会有一个非常大的脉冲。然而由于次级线圈N2绕组的输出电压都经过整流滤波，而滤波电容C与负载电阻R的时间常数非常大，因此，整流滤波输出电压Uo基本稳定，就等于二次侧电压U2的幅值Up。在K关断的时间内，
24、二次侧电压U2基本平稳,(直到反激电流降为0)，向C和负载放电，输出电流I2小于Io后，C也开始放电K闭合后，变压器一次侧充电，二次侧断路，由C向负载R供电,上图就是二次侧电流临界连续时，电压U2,电容C两端的电压Uc的变化过程,各点信号值变化,右图是反激式变压器开关电源工作于临界连续电流状态时，整流输出电压uo、变压器铁芯的磁通，以及变压器初、次级电流等波形。C图是电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈的电流波形。i1为流过N1线圈中的电流，i2为流过N2线圈中的电流（虚线所示），Io是流过负载的电流（虚线所示）。在K接通期间，变压器铁芯被i1磁化；在K关断期间，i2退磁，并向负载输出
25、电流。从图中还可以看出，流过变压器初、次级线圈中的电流是可以突跳的。在K关断的一瞬间，i1由最大值跳变到0，而在同一时刻，i2的电流由0跳变到最大值。并且，i1的最大值正好等于i2的n倍（n为变压器次级电压与初级电压比）。,B图是变压器铁芯中磁通量变化的过程，在K接通期间，变压器铁芯被磁化,磁通量是由剩磁SBr向最大磁通SBm方向变化；在K关断期间，变压器铁芯被退磁,磁通量是由最大磁通SBm向剩磁SBr方向变化。,电压增益比M,由以上的介绍可以看到，反激式变压器开关电源实际上是由隔离变压器提供变压和储能，BUCK-BOOST电路完成稳压整流共同组成的电源。因此，无论是从串联分析还是通过具体电路
26、分析都可以得出电压增益比是 M=Uo/Ui=nD1/(1-D1)注意：这里是电流连续时的增益比n是变压器的变压比，D1/(1-D1)是BUCK-BOOST电路所完成的电压比,反激式的意义,反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。反激式变压器开关电源的工作原理同BUCK-BOOST拓扑电路是一致的，如上图。隔离变压器起到的作用就是变压和储能电感的作用,正激式和反激式拓扑的比较,之前的分析告诉我们，正激式拓扑中，变压器T的作用是变压和开关，通过与D1的配合，向后续的BUCK电路提供了变压后的脉冲电压信号反激式拓扑中，变压器T的作用是储能和变压，相当于经过变压的电压源连接储能电感L，同后续电路合成BUCK-BOOST电路变压器在两种拓扑中的作用是有区别的，主要反映在储能上，反激式对一次侧的储能有较高的要求，变压器的结构自然也有一定的区别，在工程设计中应当多加关注,
