电源拓扑电路详解

拓扑学的英文名是Topology,直译是地志学,也就是和研究地形、地貌相类似的有关学科。拓扑学是几何学的一个分支,但是这种几何学又和通常的平面几何、立体几何不同。通常的平面几何或立体几何研究的对象是点、线、面之间的位置关系以及它们的度量性质。拓扑学对于研究对象的长短、大小面积、体积等度量性质和数量关系都无关。即不考虑图形的大小形状,仅考虑点和线的个数。

实质上拓扑学(TOPOLOGY)是一种研究与大小、距离无关的几何图形特性的方法。

电路的拓扑结构就是指电路中节点、支路、回路的数量，这些都反映了电路中各部分连接的实质状况。同一个拓扑结构可以画成几何形状不同的电路图

拓扑电路非常适用于DC-DC变换器。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。

DC／DC电源变换器的拓扑类型主要有以下13种：

(1)Buck Converter降压式变换器；

(2)Boost Conyerter升压式变换器；

(3)Buck—Boost Converter降压/升压式变换器，含极性反转(Inverting)式变换器；

(4)Cuk Converter升压，升压串联式变换器；

(5)SEPIC(Single Endcd Pdimary Inductor Converter)单端一次侧电感式变换器；

(6)F1yback Converter反激式(亦称回扫式)变换器；

(7)Eorward Converter正激式变换器：

(8)Double Switches Forward Converter双开关正激式变换器；

(9)Active Clamp Forward Converter有源箝位

(0)Half Bridge Converter半桥式变换器；

(11)Full Bridge Converter全桥式变换器；

(12)Push—pall Convener推挽式变换器：

(13)Phase Shift Switching ZVT(Phase Shift Switching Zero Voltage Transition)移相式零电压开关变换器。

开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。

开关电源拓扑主回路的组成：主回路（开关电源中，功率电流流经的通路）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。

一、常见电源拓扑介绍。

1、Buck Converter降压式变换器。如图1

图1 BUCK 降压拓扑

特点：a、把输入降至一较低电压。

b、输出总是小于或等于输入。

c、输入电流不连续（斩波）。

d、输出电流平滑。

e、电感/电容滤波器滤平开关后的方波。

2、Boost Conyerter升压式变换器。如图2

图2 BOOST升压拓扑

特点：a、把输入电压升至一较高电压。

b、与降压所用器件一样，只是重新安排了电感、二极管、开关的位置。

c、输出总是大于或等于输入（忽略二极管的正向压降）。

d、输入电流平滑。

e、输出电流不连续（斩波）。

3、Buck—Boost Converter降压/升压式变换器，含极性反转(Inverting)式变换器；如图3

图3 反相性开关变换拓扑

特点：a、电感、开关、二极管的另一种安排方案。

b、输入电流不连续（斩波），输出电流也不连续（斩波）。

c、输出总是和输入反相，但是幅度可以小于和大于输入。

4、F1yback Converter反激式(亦称回扫式)变换器。如图4

图4 反激式拓扑

特点：a、“反激”变换器实际上是降压－升压电路隔离（变压器耦合）形式。

b、如降压－升压一样工作，但电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。

c、输出可以为正，也可以为负，由线圈和二极管的极性决定。

d、输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数决定。

e、这是隔离拓扑结构中最简单的电路。

f、增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

5、Eorward Converter正激式变换器。如图5

图5 正激式拓扑

特点：a、降压电路的变压器耦合形式。

b、不连续的输入电流，平滑的输出电流。

c、由于采用变压器，输出可大于或小于输入，可以是任何极性。

d、增加绕组和电路可以有多路输出。

e、每个开关周期中必须对磁芯去磁，通常的做法是增加一个和初级绕组匝数相同的绕组，在开关接通阶段存储在初级绕组中的能量，在开关断开阶段通过另一个绕组和二极管泄放。

6、Double Switches Forward Converter双开关正激式变换器。如图6

图6 双正激式拓扑变换

特点：a、两个开关同时工作。

b、开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。

c、每个开关上的电压永远不会超过输入电压。

d、无需对绕组磁通复位。

7、Push—pall Convener推挽式变换器。如图7

图7 推挽式拓扑

特点：a、开关（FET）的驱动不同相，进行PWM调制以调节输出电压。

b、良好的变压器磁芯利用率，在两个半周期中都传输功率。

c、全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

d、施加到FET的电压是输入电压的两倍。

8、Half Bridge Converter半桥式变换器。如图8

图8 半桥式拓扑变换

特点：a、较高功率变换器极为常用的拓扑结构。

b、开关（FET）的驱动不同相，进行PWM调制以调节输出电压。

c、良好的变压器磁芯利用率，在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。

d、全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

e、施加在FET的电压与输入电压相等。

9 Full Bridge Converter全桥式变换器.如图9

图9 全桥式拓扑

特点：a、较高功率变换器最为常用的拓扑结构。

b、开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制以调整输出电压。

c、良好的变压器磁芯利用率，在两个半周期中都传输功率。

d、全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

e、施加在FET上的电压与输入电压相等。

f、在给定的条件下，初级电流是半桥的一半。

10、SEPIC(Single Endcd Pdimary Inductor Converter)单端一次侧电感式变换器。如图10

如图10 单端初级电感式变换拓扑

特点：a、输出电压可以大于或小于输入电压。

b、与升压电路一样，输入电流平滑，但输出电流不连续。

c、能量通过电容从输入传至输出。

d、需要两个电感。

11、Cuk Converter升压，升压串联式变换器.如图11

图11 CUK拓扑

特点：a、输出与输入反相。

b、输出电压幅度可以大于或小于输入电压。

c、输入、输出电流都是平滑的。

d、能量通过电容从输入传至输出。

e、需要两个电感，电感可以耦合获得零纹波电感电流。

二、DC-DC开关电源拓扑的分类。根据主其回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1. 非隔离式电路的类型：

非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。

1.1. 串联式结构。串联——在主回路中开关器件与输入端、输出端、电感器L、负载RL 四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源。

1.2. 并联式结构。并联——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。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。

并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。例如boots 拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。

1.3.极性反转型变换器结构（inverting）。极性反转——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。(也是串联式开关电源的一种，一般又称为反转式串联开关电源)。

开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL 靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。

2. 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。

2.1. 单端正激式single Forward Converter（又叫单端正激式变压器开关电源）。单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器。

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。

正激变压器——脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。

所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器

的次级线圈正好有功率输出。（正激式变压器开关电源是推免式变压器开关电源衍生过来的，推免式有两个控制开关，正激式改成一个开关控制。）

2.2. 单端反激式Single F1yback Converter（单端反激式变压器开关电源）

所谓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。

反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，

2.3. 推挽Push pull （变压器中心抽头）式。种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。

主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。

2.4. 全桥式Full Bridge Converter。这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。

主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

2.5. 半桥式Half Bridge Converter。电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管换成了两只等值大电容。

主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。