开关变换器基本拓扑结构 *1 内容要点 一 概述 开关电源的定义 开关电源的组成 开关电源的分类 开关的发展趋势 二 开关电源主电路原理与设计 Buck型电路 Boost型电路 正激电路 反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路 全波整流和全桥整流 2 1.开关电源的定义 广义上说，凡是用半导体功率器件作为 开关，将一种电源形态转变成为另一形 态的主电路都叫做开关变换器电路；转 变时用自动控制闭环稳定输出并有保护 环节则称开关电源（Switching Mode Power Supply，简称SMPS）。开关电 源主要组成部分是DC-DC变换器。 返回 3 2.开关电源的组成 图1开关一次电源框图 返回 （1）变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，构成 了交直交直电路。 （2）由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和 滤波器都大大减小，体积和重量都远小于相控整流电源，此外， 工作频率的提高还有利于控制性能的提高。 4 3.开关电源的分类 （1）开关电源以其采用的变换器拓扑结构可以分为降压（Buck）、升 压（Boost）、升降压（Buck-Boost）、正激（Forward）、反激（ Flyback）、推挽（Push-Pull）、半桥（Half-Bridge）和全桥（Full- Bridge）型等各种模式。 （2）在这些拓扑结构的变换器中，又可以分为工作于PWM硬开关方 式还是工作于软开关方式两大类。 a. PWM硬开关变换器的开关管按外加脉冲控制通断时刻，与开关管 的电流及电压无关。因此它通常在高电压或大电流下被迫开通或强迫关 断，有较大的dv/dt和di/dt，且开关过程中，开关损耗较大，此种方式称 为硬开关工作模式。 b. 另一类为软开关变换器，它是通过在前述的各种变换器拓 扑结构的功率电路中的管子在电压为零或电流为零时通断，从而 可以减小dv/dt和di/dt，且开关过程损耗可以为零。 （3）开关电源由于它供给不同的负载，就有不同的技术参数要 求，但主要的都有电压或电流的稳定度（电源及负载变化的影响 ），输出电压或电流范围，效率，可靠性，电磁兼容等要求。此 外各种开关电源均应有各种必须的保护，以使开关电源能可靠而 稳定地工作。 返回 5 4.开关的发展趋势 开关电源应在如下一些方面发展： （1）. 优化电路设计是保证开关电源性能指标的重要前提。 （2）. 重视结构设计是保证开关电源产品质量的生命。重视热设 计和电磁兼容设计。进行对电源的可靠性分析，保证在正常运行环 境下的使用寿命。 （3）. 在开关变换器中选用具有驱动和自检保护的智能模块，使 控制线路简单，保护更可靠。研制和开发功率集成单元，实现高可 靠性。 （4）. 采用软开关技术。 （5）. 采用微处理器对开关电源控制，实现开关电源微机化。 （6）. 尽量利用新器件使开关电源的性能更好。 （7）. 在从交流市电整流为直流时采用功率因数校正技术，减少 由于整流滤波所产生的谐波污染。 随着开关电源的应用范围越来越广，对它的技术 性能 要求也日益提高，所以对电路拓扑的研究，计算机仿真 和 优化设计，结构设计等各方面均仍进行大量的研究工作 。 返回 6 1.Buck型电路 Buck变换器是一种降压式变换器，其输出电压平均 值总 是小于输入电压。Buck变换器通过开关管Q的驱动信 号 的占空比D来控制输出电压的大小。变换器在工作过 程中 可能存在如下三种工作状态： 工作状态1：开关管Q导通，二极管D截止 工作状态2：开关管Q截止，二极管D导通 工作状态3：开关管Q截止，二极管D截止 当电感电流连续（CCM）时，Buck变换器只有1和2 两种工作状态；当电感电流断续（DCM）时，Buck变 换器有1、2和3三种工作状态。 返回 7 1.Buck型电路（CCM） (a)工作状态1（） (b)工作状态2（ ） 图3 Buck变换器电流电压波形 图2 Buck型变换器 8 1.Buck型电路 1. 工作状态1 2. 工作状态2 得出 根据以上公式可以得出： 或者： 9 因为 ，若假定负载电流 的脉动很小 而可忽略，则 。因为电容电流在一个 周期中的平均值为零，而电感电流 是按直线 规律在 和 之间变化，则电容在一个周期中的 充电和放电的时间相同，各为 ，且电容充电 的平均电流为 ，于是电容充电的电荷量为 电容电压峰-峰脉动值为 将式代入上式，得 根据以上公式则可求出L和C的值。 同理我们可以推导DCM工作情况。 1. 1.BuckBuck型电路型电路 10 2.Boost型电路 Boost变换器如图4所示。它是一个升压式变换器，其输出电压平均 值超过输入电压。Boost变换器通过开关管Q的驱动信号的占空比D来 控制输出电压的大小。与Buck变换器一样，Boost变换器在工作过程 中也可能存在三种工作状态。 图4 Boost变换器 (a) 工作状态1 (b) 工作状态2 返回 11 2.Boost型电路 输入与输出电压关系： 电感电流纹波： 输出电压纹波 图5 Boost变换器的工作波形12 3. 正激电路 电路的工作过程（电路图5 波形图6） 开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负 ，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此 VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长； S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后 变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关 断后承受的电压为 。 变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电 流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关 断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁 电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零， 这一过程称为变压器的磁心复位。 返回 13 3.正激电路 变压器的磁心复位时间为（复位过程图7） (1) 输出电压： 输出滤波电感电流连续的情况下： (2) 输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式（2 ）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极 限情况下， 返回 14 4.反激电路 反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作 是一对相互耦合的电感。 工作过程： S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感 储能增加； S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通 过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为： 图 8 反激电路原理图 图 9 反激电路的理想化波形 返回 15 4.反激电路 v反激电路的工作模式： 电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下 降到零。 输出电压关系： (3) 电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降 到零。 输出电压高于式（3）的计算值，并随负载减小 而升高，在负载为零的极限情况下， ，因 此反激电路不应工作于负载开路状态。 返回 16 5.半桥电路 图 10 半桥电路原理图 图 11 半桥电路的理想化波形 返回 17 5.半桥电路 工作过程： S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变 二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压 Uo。 S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二 极管VD2处于通态， 当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流 为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流 。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关 都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时 承受的峰值电压均为Ui。 返回 18 5.半桥电路 由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通 时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有 自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流 磁饱和。 输出电压： 当滤波电感L的电流连续时： (4) 如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于 式（4）的计算值，并随负载减小而升高，在负载 为零的极限情况下， 。 返回 19 6.全桥电路 图 12 全桥电路原理图图 13 全桥电路的理想化波形 返回 20 6.全桥电路 v工作过程： 全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥 上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压 ，改变占空比就可以改变输出电压。 当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐 渐上升； S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上 升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电 感电流，电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均 为Ui。 如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含 有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路 饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在 一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 返回 21 6.全桥电路 输出电压： 滤波电感电流连续时： (5) 输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于式（5）的计算 值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， 返回 22 7. 推挽电路 图 14 推挽电路原理图 图 15 推挽电路的理想化波形 返回 23 7.推挽电路 v工作过程： 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两 端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变 输出电压。 S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升 。 S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上 升。 当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担 一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。 S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此 应避免两个开关同时导通。 返回 24 7.推挽电路 输出电压： 滤波电感L电流连续时： (6) 输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式 （6）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为 零的极限情况下， 。 返回 25 7.推挽电路 表 1 各种不同的间接直流变流电路的比较 电路 优点 缺点功率范围应用领域 正激 电路较简单，成本 低，可靠性高，驱 动电路简单 变压器单向激磁， 利用率低 几百W几kW 各种中、小功 率电源 反激 电路非常简单，成 本很低，可靠性高 ，驱动电路简单 难以达到较大的功 率，变压器单向激 磁，利用率低 几W几十W 小功率电子设备 、计算机设备、 消费电子设备电 源。 全桥 变压器双向励磁， 容易达到大功率 结构复杂，成本高， 有直通问题，可靠性 低，需要复杂的多组 隔离驱动电路 几百W几百kW 大功率工业用电 源、焊接电源、 电解电源等 半桥 变压器双