几种开关电源拓朴结构分析
(整理)开关电源拓扑结构详解
开关电源拓扑结构详解主回路——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入端和负载端。
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。
开关电源主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（下图中所示的开关三极管T）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。
上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。
其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL 转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff 把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。
在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流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的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。
大功率开关电源拓扑
大功率开关电源拓扑
大功率开关电源通常采用多种拓扑结构，以满足不同的应用需求。
其中比较常见的包括单端降压拓扑、双向变换拓扑和桥式全桥
拓扑。
首先，单端降压拓扑是一种常见的大功率开关电源拓扑结构。
它通过开关管控制输入电压的通断，然后通过输出电感和电容进行
滤波，从而实现对输出电压的调节和稳定。
这种拓扑结构适用于需
要从高电压转换到低电压的场合，例如电源适配器和电动汽车充电
器等。
其次，双向变换拓扑是另一种常见的大功率开关电源拓扑结构。
它可以实现双向能量转换，既可以将直流电转换为交流电，也可以
将交流电转换为直流电。
这种拓扑结构适用于需要实现能量的双向
传输的场合，例如电动汽车充电桩和光伏逆变器等。
最后，桥式全桥拓扑是一种适用于大功率开关电源的拓扑结构。
它通过四个开关管和一个输出变压器构成一个全桥结构，可以实现
对输入电压的高效变换和输出电压的稳定调节。
这种拓扑结构适用
于需要高功率密度和高效率的场合，例如工业变频电源和电力电子
设备等。
总的来说，大功率开关电源拓扑结构多样，选择合适的拓扑结
构需要根据具体的应用需求和性能要求进行综合考虑，以实现高效、稳定和可靠的能量转换和调节。
开关电源拓扑结构详解
开关电源拓扑结构详解主回路——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入端和负载端。
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。
开关电源主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（下图中所示的开关三极管T）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。
上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。
其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。
在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流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的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。
开关电源拓扑结构。
D1
NU o NU o Ui
N是变压器的变压比
Uo
Up Ni
iL
iL1 N
Hale Waihona Puke I L max N
2Io N
2U o NR
Ui D1Ts NL
i L1
Ui D1Ts L
L Ui D1Ts R 2U o
Flyback变换器的优缺点比较
优点： 1、电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输 出的要求，并可通过调节占空比D1的大小升压或降压。 2、输出功率为20~100w，可以同时输出不同的电压且有较 好的电压调整率。不需接输出滤波电感，使反激变换器成本 降低，体积减小。 缺点： 1、输出的纹波电压较大，外特性差，负载调整精度不高， 因此输出功率受到限制,通常应用于150W 以下。适用于相对 固定的负载。 2、与其他隔离变换器相比效率较低。
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，由于磁通不能突变，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。
开关管导通 时等效电路
开关管关断 时等效电路
Buck-Boost拓扑结构简介
反激式变压器开关电源的工作情况同BUCK-BOOST拓扑极为相似。
另两种电感电流模式的介绍
CCM模式 D1+D2=1
DCM模式 D1+D2<1
Uo D1 Ui (D1 D2 )
二、Boost拓扑结构——升压式变换电路（非隔离）
Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高 于输入电压的单管不隔离直流变换器。 该稳压电路元器件与前面讲的Buck变换电路一样，只是 摆放位置不同，由此导致其功能也不同。
开关电源的基本拓扑结构
总结词
半桥型拓扑结构通过两个开关管和电容器的组合，实现输出电压的调节。
详细描述
在半桥型拓扑结构中，两个开关管交替导通和关断，通过调节占空比来调节输出电压。 这种拓扑结构适用于需要较高电压、大电流输出的应用场景，如逆变器和电机驱动等。
全桥型（Full-Bridge）
总结词
全桥型拓扑结构通过四个开关管的组合 ，实现输出电压的调节。
降压-升压型开关电源工作原理
总结词
根据输入电压和输出电压的大小关系，自动切换降压 或升压模式。
详细描述
在降压-升压型开关电源中，根据输入电压和输出电压 的大小关系，自动切换降压或升压模式。当输入电压 高于输出电压时，自动进入降压模式；当输入电压低 于输出电压时，自动进入升压模式。
反相开关型开关电源工作原理
VS
详细描述
在全桥型拓扑结构中，四个开关管两两交 替导通和关断，通过调节占空比来调节输 出电压。这种拓扑结构适用于需要极高电 压、大电流输出的应用场景，如高压直流 输电等。
03 开关电源的工作原理
降压型开关电源工作原理
总结词
通过控制开关管开通和关断的时间，调节输 出电压的大小。
详细描述
在降压型开关电源中，输入电压首先经过开 关管，通过控制开关管的开通和关断时间来 调节输出电压的大小。当开关管开通时，输 入电压加在负载上，当开关管关断时，输入 电压与负载断开，输出电压因此得到调节。
升压型开关电源工作原理
要点一
总结词
通过控制开关管开通和关断的时间，实现输出电压高于输 入电压的功能。
要点二
详细描述
在升压型开关电源中，当开关管开通时，输入电压同时加 在负载和储能元件上，当开关管关断时，储能元件释放能 量，使输出电压高于输入电压。通过控制开关管的开通和 关断时间，实现输出电压的调节。
(整理)开关电源电路拓扑结构的选择
开关电源电路拓扑结构的选择2009-04-26 10:58:30| 分类：硬件设计-从头开| 标签：|字号大中小订阅开关电源（直流变换器）的类型很多，从输入输出有无隔离角度，开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。
这两种类型中又各自包含有不同的电路拓扑种类。
每种结构都有各自的特点，适用于不同的应用场合，下边将对各种开关电源拓扑结构简要叙述和比较。
1. 非隔离式开关电源拓扑结构非隔离式电路是指输入端与输出端电气相通，没有隔离。
非隔离式又可分串联式结构、并联式结构和极性反转式结构三种电路拓扑结构，这三种电路拓扑结构有各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样。
（1）串联式结构特点和工作原理图3所示为串联式结构，这种结构的特点是:在主回路中开关器件T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交替工作于导通/关断两种状态，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RL继续供电，从而保证了负载端获得。
图3串联式开关稳压电路主回路串联式结构中，输出电压与输入电压成线性关系，其表达式为Vo≈Vi×D，D为开关器件T的占空比，D越大输出越大，其最大值为1，因此串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压，只适合于降压式变换。
（2）并联式结构特点和工作原理图4所示为并联式结构，并联式结构与串联式结构有相同的组成部分，只是他们的位置被重新布置了一下。
这种结构的特点是:在主回路中开关器件T与输出端负载成并联连接的关系。
开关管T交替工作于导通/关断两种状态，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，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RL供电，并同时对电容器C充电。
开关电源拓扑结构
开关电源拓扑结构回顾Lloyd H·Dixon Jr前言本文回顾了在开关电源中常用的三种基本电路系列即降压变换电路、升压变换电路和反激（或升降压）电路的特性，这三种电路均可以工作于电感断流或续流模式下。
工作方式的选择对整体电路特性有很大的影响。
所使用的控制方式也能有助于减少与拓扑和工作模式相关的问题。
三种以恒频率工作的控制方法包括：直接占空比控制、电压前馈、和电流模式（双环）控制。
本文还论述了三个基本电路的一些扩展，以及每种拓扑、工作模式、组合控制方法的相对优点。
一、三种基本拓扑结构：三种基本的拓扑结构降压式，升压式，反激式如图1所示。
串联式变换器（CUK）是反激式拓扑的倒置（不宜翻译为逆变，因其意思为DC－AC的变换），不作论述。
这三种不同的开关电路使用了三种相同的元件：电感，晶体管（晶体管包括三极管及MOSFET）和二极管，但是使用了不同的安放方式，（输出电容是滤波元件，不是开关电路的一部分）。
理论上，还有另外三种由这三种元件组成的T型结构的电路，但这三种是前面三种电路的简单镜像和在相反方向的耦合能量。
有一条在任何运行模式和控制方式下都适用于上述三种电路拓扑的原则：在稳态运行下，在每个开关周期内，电感两端的平均电压必须为零，否则平均感应电流将会改变，违反稳态前提。
三种基本电路系列的每一个在输入和输出电压、电流、占空比之间都有一个确定的关系。
例如：降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压Vin，并和它Vin 有相同的极性。
升压电路的作用是使V大于Vin，并且有相同的极性。
反激拓扑电路的作用是使V0既可大于也可小于Vin，但是两者极性相反。
二、断流工作模式：在电感电流断续方式下，或者说“断流模式”下，降压、升压和反激电路的动作方式是相似的，电感电流在每个开关周期的最后部分期间为零（因此不连续）。
在每个周期的开始部分，感应电流从零增加，从输入端得到储存能量。
在周期的第二部分，所有储存的能量通过负载泄放，从输入端汲取能量到输出端。
最详细的5种开关电源拓扑结构
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串联连接的关系。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
工作过程分析
工作过程： 1、当K导通时→IL 线性增加，D截止此 时C向负载供电 2、当K断开时→Ul 和Ui串联，以高于 Uo的电压向C充电同 时向负载供电，此时 D导通,IL逐渐减小 若IL减小到0，则D 截止，只有C向负载 供电
CCM和DCM模式下的各点电压
由上可知BOOST电路也会出现电感电流断续的情况，即 也有CCM 和DCM两种模式，各点电压分别如左右所示 在DCM模式下若IL值逐渐减小到Io，则C和L同时向负载放 电， 若IL值继续减小直至0，则D关断，只有C向负载放电，直 到下次周期开始
DCM模式下的电压增益比
τ <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+D2<1，又有IL在Ts内的平均值是 Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo. 从以上两式可以得到
1 1 2D12 / D1 M 0.5 2 2
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Vin Cr
Vin Cr
Vin Cr
Vo 优点：
1. 电路简单。 2. 线性输出控制特性。 3. 不需要辅助的吸收回路。
Vo
缺点：
1. 原边开管电压应力较高。 2. 谐振电容的损耗大。 Vo 3. 宽范围输入效率很难兼顾。
17
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（1）
Vin
n:1
Lm
L
Vo
Io IL
Ip Lk
Cr
D
G S
[t4, t5]
根据电感的伏秒平衡：
(Vin/n-Vo)DT=Vo(1-D)T
Vo=VinD/n
T
Vgs
D 1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
Vin/n-Vo VL
-Vo
Vin Io
16
谐振复位正激变换器（Resonant Reset Forward)特征
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
[t4, t5]
激磁电流对主开关的输出 电容放电。
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
22
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（6）
ICo
根据Co在DT时间的基本方程：
CVO IO DT
VO IO DT / C Vo
T D 1-D
Vr
Vin+nVo
Ip
ID-p
Vin
Io -Io
9
反激变换器（Flyback）工作原理（4）
Vin
Np
Lm
Lk G
Vo1 Ns1
Vo2 Ns2
反馈控制
多路输出的反激变换器：
Vo1 Ns1*Vin * D Np *(1 D)
Vo 3. 线性输出控制特性。
Sa
4. 不需要辅助的吸收回路。
缺点：
1. 钳位电压建立较慢，启动过程
Vo
变压器易偏磁。
Vin
2. 对输入电压的动态响应慢。
Sa 27
桥式变换器（Bridge Type Converter)
S2 Vin
L
Vin
S2
D1
Vo
L
D1
Vo
S1
D2
半桥变换器
S1
D2
全桥变换器
Vin
L
D1 D2
S
反激型变换器
S
正激型变换器
S2 Vin
L
D1
Vo
S1
D2
桥式变换器
Vo 4
反激变换器（Flyback）工作原理 （电流连续模式）
Vin
n:1
Vo
Io
D
Lm
Vgs
Co
Vds
D
G
S
Im
根据变压器的伏秒平衡：
ID
Vin* DT nVo*(1 D)T
Vo Vin * D n *(1 D)
Vo
Io IL
[t2, t3] Sa在零电压条件下开通
* 原边开管的死区时间需满足：
td1 (t2 t1)
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
20
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（4）
Vin Im 2 DT / Lm
IL
Vc (Io/ n)DT /(2C1)
VT
T/2 T/2 D
D Vc
Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
ΔIL
Vin/2n
-Vin/2n
Vin Io
29
桥式变换器（Bridge Type Converter)（2）
Vin C1 S2
8
7
6 Vc( D) Vds(D) 5
4
3
2
1
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 D
26
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（10）
Vin
Vo 优点：
Sa
1. 变压器最优化复位（电压应力 低）。
2. 输入电压范围宽。
Vin
Vo=VinD/n
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
25
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（9）
Vin
10
Vc=VinD/(1-D) Vds=Vin/(1-D)
9
Vin
Cr Lm
Sa
Ip
S1 G
n:1
+ VT
-
Lk D
S
Lo
Vo
Io IL
[t0, t1]
Im VinDT / Lm IL (Vin / n Vo)DT / Lo IP Im nIL
T
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
VT
Vin/n
Vr=？
ID Vo(1 D)T / Lm
I D p
Io 1 D
I D 2
Ip I D p n
1 2
CdsVr 2
1 2
Lk Ip 2
Vr Lk * Ip Cds
Vgs Vds Im ID
T D 1-D
Vr
Vin+nVo
Ip
ID-p
Vin VL
-nVo
Vin Io
7
反激变换器（Flyback）工作原理（2）
根据调控的效果分类: 稳压， 恒流， 调频，调相
根据调控的方法分类: 传统反馈控制，矢量控制，数位控制
1
开关电源的元件构成
开关电源的基本元件：
有源开关(Switch)
二极管(Diode)
电感(Inductor)
电容器(Capacitor)
变压器(Transformer) 2
D
S Vin
三种基本的非隔离开关电源
电源的分类
什么是Power Supply?
上 Vin, Iin 级 电 f, phase 能 形 式
Power Supply
Vo, Io f, phase
负载
Power Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式 转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。
根据转换的形式分类: AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC 根据转换的方法分类: 线性电源，相控电源，开关电源
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
[t3, t4] 激磁电流反向，变压器被复位
Im Vc(1 D)T / Lm
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
21
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（5）
Vin
Lm n:1
-
Vc
+
+
VT
-
Sa
Ip Lk
S1
D
G
S
Lo
Vo
Io IL
[t4, t5]
激磁电流对主开关的输出 电容放电。
td1
td 2
Sa
D
S1
1-D
Vds
Ip Im
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6=t0
IL
ΔIL
VT
Vin/n
-Vc/n
Vin Io
23
有源钳位正激变换器（Active Clamped Forward)（7）
Vds Vin nVo
Vds Vin
VL
(1 D)
T D 1-D
Vin+nVo
Ip ID-p
Vin -nVo
Vin Io
5
反激变换器（Flyback）工作原理 （电流断续模式）
Vin
n:1
Vo
Io D Lm
Co
T
Vgs
D 1-D
Vin+nVo
Vds
Vin
D
G
S
Im
根据变压器的伏秒平衡：
ID-p
Vin
Lm n:1