典型开关电源拓扑及特征
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。
5种经典开关电源拓扑结构件
BOOST拓扑
稳定电压输出的形成：
当K接通时，Ui开始对L充电，流过L的电流iL开始增加，同时电流 在L中也要产生反电动势eL，C向R放电，形成稳定电压Uo
当K由接通转为关断的时候，为了保持励磁不变，L也会产生反电 动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反，但与电 流的方向相同,在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与 反电动势eL之和。
在K关断期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等
于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前
IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（c）的
波形。
11
临界情况下的电路各点波形
从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io, ΔIL为IL在本周期内的最大
变化值。
隔离室电路主要分为正激式和反激式两种
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
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
M 1 1 2D12 / 0.5 D1
2
2
τ =L/RTs
22
电压增益比M分析
电路的工作模式是由 τ=L/RTs同D1代数关系式 0.5D1(1-D1)(1-D1)相对大
工作过程分析
工作过程：1、当K导通时 →IL线性增加，D1截止→ 此时IL和C向负载供电
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。
25种开关电源拓扑电路结构与连接原理与及特点选择与设计方法
25种开关电源拓扑电路结构与连接原理与及特点选择与设计方法开关电源是一种将交流电转换为直流电的电源装置，其常见的拓扑电路结构包括单端（Buck）、反相（Boost）和反相-反相（Buck-Boost）等。
下面将详细介绍这些拓扑电路的连接、原理与特点，并给出选择与设计方法。
1.单端拓扑电路结构与连接：单端拓扑电路主要由功率开关器件、电感元件和输出滤波电容组成。
它的连接方式为输入电压接到开关电源的输入端，输出电压则输出到输出端。
单端拓扑电路常用于输出电压比输入电压更低的应用场景。
2.反相拓扑电路结构与连接：反相拓扑电路也是由功率开关器件、电感元件和输出滤波电容组成。
不同之处在于它的连接方式，输入电压通过开关电源的输入端接到电感上，输出电压则从电感上接出。
反相拓扑电路适用于输出电压比输入电压更高的应用场景。
3.反相-反相拓扑电路结构与连接：反相-反相拓扑电路结构是将单端拓扑与反相拓扑结合起来的一种结构，它可以实现输入电压和输出电压的翻转。
输入电压通过开关电源的输入端接到电感上，输出电压同样从电感上输出。
这种拓扑电路可以根据输入输出电压的差异实现升压或降压功能。
这些拓扑电路的原理与特点如下：1.单端拓扑电路原理与特点：单端拓扑电路使用开关器件以一定的频率开关电源输入，通过电感和输出滤波电容将开关输出的方波转换为稳定的直流电。
这种电路的特点是简单、成本较低，但效率较低，适用于输出电压较低的场景。
2.反相拓扑电路原理与特点：反相拓扑电路通过控制开关器件的导通和截止来改变电感中的电流，从而改变输出电压。
与单端拓扑电路相比，它的效率较高，但成本较高。
反相拓扑电路适用于输出电压较高的场景。
3.反相-反相拓扑电路原理与特点：反相-反相拓扑电路通过将输入电压先升压或降压至一个中间电压，再通过反向变换输出所需的电压。
这种电路可以实现较大范围的升压和降压功能，但需要多个开关器件和电感，因此成本和复杂度较高。
在选择与设计开关电源的方法上，应注意以下几点：1.根据实际需求确定输出电压和电流的要求，然后选择适合的拓扑电路结构。
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。
开关电源模块拓扑技术
开关电源模块拓扑技术同学们！今天咱们来聊聊开关电源模块拓扑技术。
这听起来可能有点复杂，但别担心，我会用咱们能懂的话来讲讲。
咱们得知道开关电源模块是啥。
开关电源模块就是一种能把一种电压变成另一种电压的东西。
比如说，把220 伏的交流电变成5 伏的直流电，给我们的手机充电。
那开关电源模块拓扑技术又是啥呢？其实啊，拓扑就是一种结构或者形状的意思。
开关电源模块拓扑技术呢，就是指开关电源模块里面的电路结构。
不同的拓扑技术，电路结构也不一样，性能也不一样。
咱们先来看看最常见的一种拓扑技术，叫反激式拓扑。
反激式拓扑就像一个跷跷板，一边高一边低。
当开关管导通的时候，电流从电源的一端流向变压器的初级线圈，就像把跷跷板的一端压下去。
这时，变压器的次级线圈没有电流，因为次级线圈的两端被二极管挡住了。
当开关管截止的时候，变压器的初级线圈里的电流突然消失，就像把跷跷板的一端抬起来。
这时，变压器的次级线圈里就会产生一个很高的电压，这个电压经过二极管和电容的整流滤波后，就变成了我们需要的直流电。
反激式拓扑的优点是结构简单，成本低，适合小功率的应用。
缺点是效率不高，因为开关管截止的时候，变压器的初级线圈里会产生一个很高的反电动势，这个反电动势会消耗很多能量。
再来说说正激式拓扑。
正激式拓扑就像一个滑梯，电流从电源的一端流向变压器的初级线圈，然后经过开关管，再流回电源的另一端。
当开关管导通的时候，变压器的次级线圈里也会有电流，这个电流经过二极管和电容的整流滤波后，就变成了我们需要的直流电。
正激式拓扑的优点是效率比反激式拓扑高，因为开关管导通的时候，变压器的初级线圈和次级线圈里都有电流，没有反电动势的问题。
缺点是结构比较复杂，成本也比较高，适合中功率的应用。
还有一种拓扑技术，叫半桥拓扑。
半桥拓扑就像一个天平，两边各有一个电容和一个开关管。
当一个开关管导通的时候，另一个开关管截止，电流从电源的一端流向变压器的初级线圈，然后经过导通的开关管和电容，再流回电源的另一端。
开关电源三大基础拓扑
开关电源三大基础拓扑开关电源三大基础拓扑为：Buck、Boost、Buck-Boost，大部分开关电源都是采用这几种基础拓扑或者其对应的隔离方式。
拓扑的分类取决于电感的连接方式。
当我们在电路中设置合适的参考地后，可以得到三个端子：输入端、输出端、地。
若电感一端与地相连，得到buck-boost电路；若与输入端相连，得到boost电路；若与输出端相连，得到buck电路。
三种电路拓扑的小结Buck电路：占空比D≈VO/VIN ，输出电流IO=电感电流IL，电感电流IL额定值≥1.2IL，正输入负输出/负输入正输出；Boost电路：占空比D≈(VO-VIN)/VO，输出电流IO=电感电流IL(1-D)，电感电流IL额定值≥1.2IL，提高输入的值，不改变输入极性；Buck-boost电路：占空比D≈VO/(VO+VIN)，输出电流IO=电感电流IL(1-D)，电感电流IL额定值≥1.2IL，降低输入的值，不改变输入极性。
各类拓扑下的器件选用一、电感的设计对buck拓扑，一般在输入电压最大值Vimax(即占空比最小值Dmin)下设计电感。
将电流纹波率r设置为0.3~0.4。
对buck-boost、boost拓扑，一般在输入电压最小值Vimin(即占空比最大值Dmax)下设计电感。
将电流纹波率r设置为0.3~0.4。
二、二极管的选用1、所选二极管的额定电流至少等于最恶劣平均电流的两倍。
对buck拓扑，ID≥2I0(1-Dmin);对buck-boost、boost拓扑, ID≥2I0。
2、所选二极管的额定电压至少比最恶劣二极管电压大20%。
对buck拓扑，VD≥1.2Vimax；对boost拓扑，VD≥1.2Vo , Vo为输出电压；对buck-boost拓扑，VD≥1.2(Vimax+ Vo)。
三、开关管的选用1、由P=UI，得开关管有效电流值输入电压最小值Vimin(即占空比最大值Dmax)处最大。
2、所选开关管的额定电流至少等于开关管有效电流值的两倍。
开关电源基本拓扑结构
I LfG
V in D y 2L f fs
I oG
(1 D y ) D y 2L f fs
V in
Fig 1.4 Vin=const
开关电源基本拓扑
25
Vout = constant (输出电压恒定) From eq. (2.14), then the eq.(2.16) and eq.(2.15) can be reformed as:
i Lf I Lf
max
V in Lf
T on
V in Lf
Ts D y
(3.9)
i Lf I Lf
max
Vo Lf T off
'
Ts D (1 D y )
(3.10)
where
Vo V in
D
Dy D
Ts
(3.11)
I in I Lf
I o D
2
(1 D y )V o 8L f C f fs
2
Vo
Q C
f
(1.8)
开关电源基本拓扑
8
电流断续时的工作模式 (DCM)
电流断续时的工作模式的典型情况：
Mode 1
输入电压Vin不变，输出电压Vo变化；譬如用作电机速度控制、充电
器对蓄电池恒流充电。 输入电压Vin变化，输出电压Vo不变，如普通开关电源。
I oG (1 D y ) 2L f fs V out
Fig 1.5 Vout=const
开关电源基本拓扑
13
湘潭电机股份有限公司150t工矿电机车IGBT直流斩波 1500V电压等级主要由IGBT功率组件、微机控制盒及 PLC控制单元构成。IGBT功率组件采用3 300V、 800A 斩波型IGBT模块作为主功率元件，主元件散 热器采用新型风冷热管散热器，一个IGBT功率组 件单独驱动一台牵引电机。 微机控制盒是装置的核心，配备16位单片机 80C196KC
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典型开关电源拓扑及特征（增加学习解读整理）
Buck降压电路
特征：
■把输入降至一个较低的电压。
■可能是最简单的电路。
■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。
■输出总是小于或等于输入。
■输入电流不连续(斩波)。
■输出电流平滑
Boost升压电路
特征：
■把输入升至一个较高的电压。
■与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。
■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。
■输入电流平滑。
■输出电流不连续(斩波)。
Buck-Boost升降压电路
特征：
■电感、开关和二极管的另一种安排方法。
■结合了降压和升压电路的缺点。
■输入电流不连续(斩波)。
■输出电流也不连续(斩波)。
■输出总是与输入反向(注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。
■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。
SEPIC升降压电路
特征：
■输出电压共地同相。
■输出电压可以大于或小于输入电压。
■与升压电路一样，输入电流平滑，但是输出电流不连续。
■能量通过电容从输入传输至输出。
■需要两个电感。
C’uk升降压电路
特征：
■输出反相
■输出电压的幅度可以大于或小于输入。
■输入电流和输出电流都是平滑的。
■能量通过电容从输入传输至输出。
■需要两个电感。
■电感可以耦合获得零纹波电感电流。
Flyback反激变换
特征：
■最简单的隔离拓扑结构；
■如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器（看
成2个具有一定相关的隔离电感）和电感。
■输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。
电压等式在电流处于CCM（磁通量连续、输入电流与输出电流时序叠加后连续）方成立。
在DCM 模式下，输出电压将高于上式，保持占空比不变，随着负载加大，输出电压会下降，这个过程功率保持不变，然后负载继续加大，进入CCM模式，然后上式成立，随着负载继续加大，电压不变电流增加，原边表现为电流上升，继续增加负载功率，将触发磁芯饱和。
最大功率将受限饱和磁通，(原边电感/圈数越大传递的功率越小，PFC电感有类似也有区别，PFC电感影响输入功率不是因为磁通饱和，而是阻抗限流)，此时提高控制频率只可非线性的提高少部分功率。
■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。
■输出可以获得正负电源，有2绕组级联，取中线为0基准。
■导通时前级蓄能，关断时后次级释放能量，并完成变压器去磁。
■适用于较小功率场景，小功率辅助控制电源常用。
Forward正激变换
特征：
■降压电路的变压器耦合形式。
■不连续的输入电流，平滑的输出电流。
■输出整流类似buck降压回路。
■因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性（因为是隔离）。
■增加次级绕组和电路可以获得多个输出，同反激电路。
■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。
常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组（决定了占空比不大于50%，否则产生剩磁，绕组数量变化去磁时间如何变化？绕组数量少应该去磁时间更短！）。
在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在断开阶段通过去磁回路释放回电源输入端。
■正激变换传递的功率大小原理与反激完全不同，理论上与变压器磁通量无关。
关于磁芯饱和只需要关注去磁处理以及最大导通时间限制即可。
■开关管关断时产生2倍输入电压（励磁绕组相同时！越少电压更高），对管子耐压较高。
■输出半桥整流，采用了Buck降压电路（后续的几个正激转换电路也是如此），其电压表达式也同Buck降压，该电路是的输出电流更连续。
如果直接二极管整流会如何？产生很大的尖峰电流，输入输出都有。
■小功率辅助控制电源常用。
双管正激变换
特征：
■两个开关同时工作，（增加1个开关管以及1个二级管实现了取代去磁绕组回路）
■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，形成去磁回路。
■优点1，每个开关上的电压永远不会超过输入电压。
■优点2，无需对绕组磁道复位。
■比较常用于中等功率，如3KW电源模块常用。
■附加整流电流：上述两正激变换整流电路可替换为同步整流电流，以获取更高效率。
Push-Pull推挽变换
特征：
■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
原边绕组线圈分别工作利用一半周期）
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FET上的电压是输入电压的两倍（类似正激）。
■因为变压器两个半周期都都传输了功率，所以输出双半桥整流。
半桥变换
特征：
■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
■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。
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FET上的电压与输入电压相等。
■施加在初级绕组的电压只有输入电压的一般，上半桥开通时才产生输入电流。
上半桥导通时，一方面通过变压器传递功率、一方面往半桥电容中储存能量，以供后半桥桥导通通过变压器传递功率。
■实际工程上，半桥电容不会额外增加母线平波电容的总需求，无论是包含交流整流的部件电路，还是直接的直流电输入时。
全桥变换
特征：
■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
■开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
■全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FETs上的电压与输入电压相等。
■在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。
■在输入或输出变化较大时，输出电感除了有利于输出电流稳定抑制尖峰，也有利于电压的控制
■输出回路，次边整流采用单绕组全波整流也较常见（图略），节省1绕组然后增加2个二极管，为什么？（综合效率、效益考虑，在高压大功率输出时采用，此时效率影响较小，但变压器绕制更简单低成本。
反过来也就是为撒子，低压输出时宁可额外增加双绕组输出而实现半桥整流）
■输出回路，下图是双绕组的同步整流示意图。