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
开关电源主回路拓扑结构概述 电源技术概要四
开关电源主回路拓扑结构概述_电源技术概要㈣2005-11-2 硬道理电子技术工作室主回路——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。
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史与非隔离式两大类型。
一、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、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。
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（下图中所示的开关三极管T）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。
由此可见，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。
3、极性反转型变换器结构极性反转——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。
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。
常见的开关电源拓扑结构
常见的开关电源拓扑结构本文主要讲述了常见的开关电源拓扑结构特点和优缺点对比。
常见的拓扑结构，包括Buck降压、Boost升压、Buck-Boost降压-升压、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward双晶体管正激等。
上图是常见的基本拓扑结构。
基本的脉冲宽度调制波形这些拓扑结构都与开关式电路有关。
基本的脉冲宽度调制波形定义如下：常见的基本拓扑结构1 Buck降压•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。
2 Boost升压•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)。
3 Buck-Boost降压-升压•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。
4 Flyback反激•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和电感。
•输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。
•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。
•这是隔离拓扑结构中最简单的。
•增加次级绕组和电路可以得到多个输出。
5 Forward正激•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。
•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。
•增加次级绕组和电路可以获得多个输出。
•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。
•在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。
【很完整】牛人教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型
【很完整】⽜⼈教你开关电源各功能部分原理分析、计算与选型1 开关电源介绍此⽂档是作为张占松⾼级开关电源设计之后的强化培训，基于计划安排，由申⼯讲解了变压器设计之后，在此⽂章中简单带过变压器设计原理，重点讲解电路⼯作原理和设计过程中关键器件计算与选型。
开关电源的⼯作过程相当容易理解，其拥有三个明显特征：开关：电⼒电⼦器件⼯作在开关状态⽽不是线性状态⾼频：电⼒电⼦器件⼯作在⾼频⽽不是接近⼯频的低频直流：开关电源输出的是直流⽽不是交流也可以输出⾼频交流如电⼦变压器1.1 开关电源基本组成部分1.2 开关电源分类：开关电源按照拓扑分很多类型：buck boost 正激反激半桥全桥 LLC 等等，但是从本质上区分，开关电源只有两种⼯作⽅式：正激：是开关管开通时传输能量，反激：开关管关断时传输能量。
下⾯将以反激电源为例进⾏讲解。
1.3 反激开关电源简介反激⼜被称为隔离buck-boost 电路。
基本⼯作原理：开关管打开时变压器存储能量，开关管关断时释放存储的能量反激开关电源根据开关管数⽬可分为双端和单端反激。
根据反激变压器⼯作模式可分为CCM 和DCM 模式反激电源。
根据控制⽅式可分为PFM 和PWM 型反激电源。
根据驱动占空⽐的产⽣⽅式可分为电压型和电流型反激开关电源。
我们所要讲的反激电源精确定义为：电流型PWM 单端反激电源。
1.4 电流型PWM 单端反激电源此类反激电源优点：结构简单价格便宜，适⽤⼩功率电源。
此类反激电源缺点：功率较⼩，⼀般在150w 以下，纹波较⼤，电压负载调整率低，⼀般⼤于5%。
此类反激电源设计难点主要是变压器的设计，特别是宽输⼊电压，多路输出的变压器。
2 举例讲解设计过程为了更清楚了解设计中详细计算过程，我们将以220VAC-380VAC 输⼊，+5V±3%（5A），±15±5%（0.5A）三路共地输出反激电源为例讲解设计过程。
提出上⾯要求，选择思路如下：提出上⾯要求，选择思路如下：电源总输出功率P=5*5W+15*0.5*2=40W 功率较⼩，可以选择反激开关电源。
开关电源拓扑结构
开关电源拓扑结构开关电源拓扑结构一、定义：开关电源拓扑结构，也称为直流-直流转换器，通常采用小尺寸和轻质的结构，可以将低压或中压的电源转换成更高的直流电压或功率。
它具有体积小、重量轻、效率高、失真小等优点，在日常生活中被广泛应用。
二、组成：开关电源拓扑结构的基本构成包括：输入电路、开关模块、驱动电路、高压变换器、低压变换器、散热器、比较器、控制单元和数显仪等。
1.输入电路：采用有趣磁型滤波电路，具有较好的抗干扰能力，能够有效抑制工频信号，为开关模块提供稳定的电源。
2.开关模块：采用开关变换方式，它是实现输入电压转换成输出电压的基本组件。
3.驱动电路：开关模块的正常工作需要依赖于良好的驱动电路，它的信号周期必须严格控制，以实现电压和功率的平稳转换。
4.高压变换器：变换器的核心部分，也是实现电压转换的重要组件，通常采用电感和电容的加减容组合，以实现输入和输出电压的高效转换。
5.低压变换器：主要配合高压变换器，通过其核心部分电容，对输出电压进行必要的补偿，实现输出电压的平稳变换，保证输出电压的平稳性。
6.散热器：散热器的作用是控制过程中的温度，以防止开关模块过热，发生负载非线性等不良现象。
7.比较器：根据负责负荷管理的外部参数，通过比较器对外围负载信号进行实时修正，以实现轻负荷和小信号振荡的功率幅度调节。
8.控制单元：负责实时调整驱动电路和散热器的信号，以保证正常的电源、散热和负载控制。
9.数字显示仪：它通常是比较器的表示，而数字显示仪则是总结比较器的信息的必要工具，以便调节者实时了解相关信息。
三、优势和应用1.优势：开关电源拓扑结构体积小、重量轻、抗干扰性好、效率高，具有波形失真小、可靠性好、节能效率高、温度补偿能力强等优点。
2.应用：开关电源拓扑结构宽泛地用于医疗设备，汽车、航空航天、工厂自动化设备等场景，得到了越来越多的认可与应用，预计将会在未来领域发挥重要作用。
开关电源基本拓扑结构剖析
Vout Dy Vin Dy D
(1.12)
Io
1 Ts
I Lf max 2
(Ton
T' off
)
1 2 I Lf max(Dy D)
(1.13)
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
9
电感电流临界连续
2 I o Lf max i
1
(1.14)
iLf
max
Vin Vo Lf
DyTs
(1.15)
IoG
(1 Dy )Dy 2Lf fs
Vin
Fig 1.4 Vin=const
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
11
Vout = constant (输出电压恒定) For Vo=Vin Dy, so eq.(1.16) can be reformed as:
I oG
(1 2L
Dy f fs
)
Fig 3.1 Configuration of Buck/Boost converter main circuit
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
15
电感电流连续时的工作模式 (CCD)
Mode 1
Fig 3.2
Mode 2
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
16
电流连续时(CCM)的工作原理(operating principle)
Vout
Fig 1.5 Vout=const
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
12
开关电源基本拓扑结构
二、并联型——boost converter
升压式(Boost)变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换 器。下图给出了它的电路拓扑图。Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管 D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。
开关电源电路组成及各部分原理详解
开关电源电路组成及各部分原理详解开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：一、开关电源输入电路及原理1、AC 输入整流滤波电路原理：①防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。
当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。
②输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
③整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。
若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
2、DC 输入滤波电路原理：①输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感。
②R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。
在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。
当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。
如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
2.根据输入电压范围和输出电压要求，计算出所需的变换比，并选择合适的开关器件与电感元件参数。
3.结合实际应用情况，考虑输出电压稳定性、效率要求、体积大小、成本等因素，进行合适的设计和优化。
4.在设计过程中，注意考虑额定功率、开关频率、保护功能、电磁干扰等因素，并合理选择相应的组件和控制策略。
综上所述，开关电源的拓扑电路结构与连接、原理与特点、选择与设计方法都是根据实际需求来确定的，只有合理选择和设计，才能满足不同场景的要求。