5种开关电源拓扑结构.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,开关电源电路拓扑结构,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,BUCK,BOOST,BUCK-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，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,IL,Io,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/RTs,0.5IL,（,1-D1,）,/2,，,Io,处在连续的状态。,0.5ILIo,时，即,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+D20.5D1(1-D1)(1-D1),时，,Io,处在连续的状态。,0.5D1(1-D1)(1-D1),时，,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+D20.074,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,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,，,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,BUCK,输入,nUi,K,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,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,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,),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,BUCK-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，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,