电源基础知识——《基本开关变换拓扑》

基本开关变换拓扑

在最基本的拓扑形式中，开关变换技术将恒定的功率源转换成一份份可控的能量单元，然后经过滤波将能量重新组合成稳定可用的输出功率。这就是通常所说的DC/DC转换器。我们可以用一对开关管 (二极管可以看作是一个带极性控制的开关)和一个L-C滤波器来实现这个功能。但是，即便只有四个元件，这些元件以不同的方式或是在不同的位置连接，就可以构成多个拓扑结构，以满足不同的性能要求(图4.1 )。

图4.1    即使只有四个基本元件，仍然可以经过各种变换得到多种DC/DC拓扑结构

第一种拓扑结构，降压(Buck)电路:它是最常用的电路拓扑，这是有深层次原因的，由于电源在较高电压下传输效率最高，所以大多数电源转换过程都包括将输人电压降至校低的值。Buck 拓扑结构是一个step-down转换器，因为其输出电压必须低于电路的输入电压才能工作。当其开关导通时，输入电压与输出电压之间形成降压过程，传输的能量是VIN-VouT的函数。而其他两个拓扑。需要将全部输入能量传递到输出，这样其峰值电流要高此。因此降压电路也是这三个基本电路中效率最高的。

开关管导通时间与开关周期的比定义为占空比（D).它是一个可以在0 （当开关管在整个周期内保持关断状态)到1.0(当开关管一直导通时 )之间变换的数字。因此，我们可以通过控制占空比，使降压电路的输出可以从零变化到VIN.但是作为稳压器，我们需要保持恒定的VouT,这样就需要对占空比进行控制，让其不受VIN或其他电路参数变化的影响。

图4.1的升压( Boost)和反激式( Flyback )电路拓扑包含了相同的器件，但是它们由于连接位置不同而具有明显不同的性能。Boost 转换器与Buck转换器最大的不同之处在于:输出电压必须大于输人电压才能工作。而Flyback电路则不受此限制，不需要考虑输人和输出电压之间的关系，但是输出电压将与输入极性相反。

Boost电路也被称为step-up转换器，而Flyback电路有时被称为Back -Boost转换器，因为它也可以实现任何形式的电压转换，但它非隔离的形式一般取作为极性反相器，不过 Flyback 的隔高结构更常用变压器而不是电感器来实现，所以这样允许输出任何一种极性 (稍后会详述)。

但是与Buck转换器相比，Boost和Flyback电路还有一个明显不同。 由于Buck电路中的电感是直接连接到输出负载(以及输出电容)，所以无论开关是关断还是导通，电感电流都可以持续地流向输出端。相比之下，Boost和Flyback的功率从输入端传输到输出端，需要通过两步过程来实现，而电感则作为一个临时储能元件。

在这两种电路中，当开关管导通时，输入电流流入电感，能量储存在其增加的磁场中，整流二极管截止，所以没有电流流向负载。输出电压仅由输出电容放电维持。当开关管断开时，电感上的电压极性反转，电流流向输出端，同时给输出电容充电。这两步过程产生更高的峰值电流，所以在大功率应用场合影响效率。

在这三种基本电路拓扑的应用中。 一般还要考虑如下几个额外的特性：

●开关管在Boost和Flyback电路中，是与输入电压源串联，输入电流会以开关频率的速度被斩波(输入电流不连续)，因此需要对输入线路进行滤波，以尽量减少RFI噪声的产生。

●在Boost和Flyback电路中，当开关管导通时，整流二极管输出滤波电容的充电电流，电容中的交流AC电流将会大大增加，输出端可能会产生开关噪声。

●虽然Buck电路是效率最高的拓扑结构，但当降压比大大超过10 : 1时，它会丢失掉高效率的优势，因为低的占空比(窄脉冲)意味着更高的峰值电流。

● 三种基本拓扑结构都不具有高压安全隔离功能，因此它们主要用于相对较低电压的应用中。如: 电池供电的场合，或是离线式电源的副边侧。对于Boost电路，有一个最重要的应用是输入功率因数校正电路，这将在后面的章节中介绍。