一、概述
直流變換器按輸入與輸出是否有電氣隔離可分為兩類(lèi)：沒(méi)有電氣隔離的稱(chēng)為非隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱(chēng)為隔離的直流變換器。
基本的非隔離開(kāi)關(guān)電源拓?fù)渲饕辛N，即降壓變換器(buck)，升壓變換器(boost)，升降壓變換器(buck-boost)，Cuk變換器，Zeta變換器和Sepic變換器等。在這六種變換器中，降壓式變換器和升壓式變換器是最基礎(chǔ)的，另外四種是從中派生而來(lái)。
隔離的直流變換器按有源功率器件的數(shù)量來(lái)分類(lèi)。單管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種;雙管的有雙管正激(Double Transistor Forward Convert)、雙管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半橋(Half-bridge Convert)等四種;四管的直流變換器就只有全橋直流變換器(Full Bridge Convert)。
很多人尤其是開(kāi)關(guān)電源的初學(xué)者，常常被上述林林總總的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給弄的暈頭轉(zhuǎn)向，不了解不同拓?fù)渲g的關(guān)系。其實(shí)各種隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全部是由非隔離拓?fù)溲莼鴣?lái)，通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)、了解演化關(guān)系，可以極大的簡(jiǎn)化我們對(duì)開(kāi)關(guān)電源的學(xué)習(xí)，深入了解各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)。
二、升壓變換器(buck)與降壓變換器(boost)
開(kāi)關(guān)變換器取代線性調(diào)壓早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始使用，它通過(guò)快速開(kāi)關(guān)晶體管，經(jīng)過(guò)電感或電容濾波后，輸出直流電壓的平均值。通過(guò)控制晶體管開(kāi)關(guān)的占空比，可以控制輸出電壓的大小。
上圖是最早的開(kāi)關(guān)型變換器——buck變換器，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)管、電感L1對(duì)負(fù)載提供能量，同時(shí)為L(zhǎng)1、C1進(jìn)行儲(chǔ)能;當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，L1、C1對(duì)負(fù)載提供能量，二極管D1為儲(chǔ)能電感提供續(xù)流泄放路徑。
上圖為另外一種最基本的開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)?mdash;—boost變換器拓?fù)?。?dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓對(duì)電感L1提供能量進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)負(fù)載由電容C1來(lái)提供能量;當(dāng)開(kāi)關(guān)判斷時(shí)，輸入電壓與電感L1通過(guò)二極管D1共同為負(fù)載提供能量，同時(shí)電容C1充電以補(bǔ)充在開(kāi)關(guān)管判斷期間損耗掉的能量。
三、常見(jiàn)隔離拓?fù)?/div>
前面討論的buck與boost開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)溆幸粋€(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是它們的輸入回路和輸出回路共地，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)多路輸出。下面介紹的正激變換器、推挽變換器、半橋變換器、全橋變換器有很多共同的特點(diǎn)，如這些拓?fù)淙坷米儔浩靼涯芰總鬟f到負(fù)載、輸入輸出回路隔離不共地、可以利用變壓器多個(gè)次級(jí)繞組實(shí)現(xiàn)多路輸出。
1.正激變換器(Forward Convert)
正激變換器由Buck變換器派生而來(lái)，如下圖所示，在Buck變換器輸入端加入變壓器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離，再由二極管D3對(duì)變壓器輸出信號(hào)進(jìn)行半波整流輸出PWM脈沖信號(hào)代替原來(lái)由高端開(kāi)關(guān)形成PWM輸入。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)關(guān)管由高端浮地改為低端開(kāi)關(guān)，形成正激變換器的基本結(jié)構(gòu)(缺磁復(fù)位電路沒(méi)有顯示)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，同名端相對(duì)于異名端為正二極管D2正偏，二極管D3反偏，輸入功率通過(guò)變壓器經(jīng)過(guò)D3、L3給負(fù)載提供能量，同時(shí)給電感L2儲(chǔ)存能量;當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入能量傳遞不到副邊，電感L2里面存儲(chǔ)的能量通過(guò)D2傳送到負(fù)載。
正激變壓器在輸出功率150W~200W，輸入電壓較低，60~250V的場(chǎng)合，正激變換器可能是最廣泛應(yīng)用的拓?fù)洹Ｈ糨斎腚妷旱陀?0V，則對(duì)應(yīng)最小輸入電壓所需的初級(jí)輸入電流就太大。若最大輸入電壓超過(guò)250V，則開(kāi)關(guān)管的最大電壓應(yīng)力太大。若輸出功率超過(guò)200W，對(duì)于任何直流輸入電壓，所需的輸入電流太大。
2.推挽變換器
推挽變換器可以理解為由兩路正激電路并聯(lián)構(gòu)成，如下圖所示。由于推挽變換器原邊有兩個(gè)相差180度相位的繞組交換傳遞能量到副邊輸出級(jí)，所以副邊采用帶中間抽頭的雙繞組，并采用全波整流，可以去除在正激變換器中開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，由儲(chǔ)能電感對(duì)外提供能量的周期，整個(gè)開(kāi)關(guān)周期都有能量從原邊傳遞到副邊。由于不需要儲(chǔ)能電感的續(xù)流功能，所以續(xù)流二極管D2也只可以省略。即原邊輸入級(jí)采用兩路正激變換器的輸入級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)，副邊合理的節(jié)省部分整流、濾波電路后，即派生出典型的推挽式開(kāi)關(guān)電源變換器。
對(duì)于推挽式開(kāi)關(guān)電源變換器，由于上面已經(jīng)提到，整個(gè)開(kāi)關(guān)周期都有能量從輸入側(cè)傳遞到輸出測(cè)，沒(méi)有儲(chǔ)能電感續(xù)流供電過(guò)程，采用全波或橋式整流后，其輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)和電流的脈動(dòng)系數(shù)都很小，因此只需要很小的輸出濾波電感、電容，就可以得到電壓紋波與電流紋波都很小的輸出電壓，其輸出電壓特性非常好。其次，由于推挽式開(kāi)關(guān)電源中的變壓器磁芯屬于雙向極化，工作在一、三象限，其磁芯利用率較正激變換器更高。另外，推挽式開(kāi)關(guān)電源變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都有一個(gè)公共接地端，相對(duì)于半橋、全橋拓?fù)鋪?lái)講，其驅(qū)動(dòng)電路可以簡(jiǎn)化很多，這也是推挽拓?fù)涞囊粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)。
與其優(yōu)點(diǎn)一樣，推挽拓?fù)涞娜秉c(diǎn)一樣非常鮮明。與正激拓?fù)湟粯?，由于每個(gè)開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷期間承受的電壓為兩倍輸入電壓(不包括因開(kāi)關(guān)管通斷與寄生參數(shù)造成的開(kāi)關(guān)尖峰)，推挽拓?fù)洳贿m用于輸入電壓較高的場(chǎng)合。
3.反激變換器(Flyback Converter)
前面講到的幾種變換器，除boost外，都是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)將能量傳遞到負(fù)載端。這里要講的反激變換器則不同，在反激拓?fù)渲校_(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器存儲(chǔ)能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供;開(kāi)關(guān)管判斷時(shí)，變壓器將存儲(chǔ)的能量傳遞到負(fù)載，并給輸出電容充電來(lái)補(bǔ)償開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間輸出電容放電消耗的能量。
反激拓?fù)湓诟唠妷骸⑿」β实膽?yīng)用專(zhuān)用(電壓不大于5000V,功率幾十瓦)，如果輸入電壓較高，初級(jí)電流適當(dāng)，反派拓?fù)淇梢杂迷谳敵龉β矢哌_(dá)150W的電源中。它最大的優(yōu)點(diǎn)在于不需要接buck類(lèi)拓?fù)涠夹枰妮敵鲭姼?，使反激變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、體積減小、成本降低。
4.半橋、全橋拓?fù)湟部梢杂蒪uck拓?fù)渑缮鴣?lái)，由于篇幅問(wèn)題，這里不再贅述，感興趣的朋友可以自己償試推演一下。
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