開關電源主電路拓撲結構的分析與比較

1 引言

開關電源被譽為高效節(jié)能電源。它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產品。

開關電源的基本結構通常由DC/DC功率轉換主電路和控制電路兩大部分所組成。其中DC/DC主電路進行功率轉換，它是開關電源的核心部分，對電源設備的電性能、效率、溫升、可靠性、體積和重量等指標有決定性的作用。

主電路中開關轉換器的拓撲結構，是指能用于轉換、控制和調節(jié)輸入電壓的功率開關元件和儲能元件的不同配置。開關轉換器拓撲結構可分為兩種基本類型：非隔離式和隔離式。這兩種類型中又各自包含有不同的電路拓撲種類。

2 非隔離開關轉換器

對于小功率DC/DC轉換器(例如100W以下)，實際上用開關晶體管、開關二極管、電感、電容各一個，就可以組成一臺非隔離式DC/DC轉換器，是各種 DC/DC轉換器中最簡單的拓撲。其主電路的核心是三端PWM開關，它表示DC/DC轉換器PWM開關組合。開關晶體管、開關二極管和電感元件的不同組合，可以構成降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓型(Buck-Boost)和升壓-降壓型(Boost -Buck)型4種DC/DC轉換器的拓撲結構。

2.1降壓型拓撲結構

降壓型DC/DC轉換器將輸入電壓變換成 0≤U0≤Ui 的穩(wěn)定輸出電壓，所以又稱降壓開關電源。圖1為降壓型DC/DC轉換器的典型電路。Ui 為輸入電源，通常為電池或電池組。S是主開關管，二極管D是輔助開關管，也稱為整流管，一般使用具有較低正向導通電壓的肖特基二極管。S是由來自控制電路的脈沖信號控制開關。RL表示負載電阻。

圖1 降壓型DC/DC轉換器電路

在一個開關周期中，首先，在控制電路作用下S導通，二極管因受反向偏壓而截止，電流由電池流經S、電感L到電容C和負載。電感電流持續(xù)上升，電感儲能在增加，能量由電池傳送到電感并存儲在電感中;第二階段，控制電路使S截止，切斷電池和電感元件的連接，于是電感產生感生電動勢使電流維持原來的流向，二極管 D導通，為電感電流構成通路，電流由電感L流向電容C和負載，電感電流隨著時間而下降，能量由電感流向負載。

經電感L、電容C濾波，在負載RL上可得到脈動很小的直流電壓Uo。為推導降壓型DC/DC轉換器的輸出電壓與輸入電壓間的關系，在主開關管S導通、二極管D截止時，忽略S管的正向導通壓降;整流管導通、主開關管關斷時，忽略二極管的壓降 ;忽略電感、電容的寄生電阻。因為只有在開關管導通期間，儲能電感 L的電流增加量和開關管截止期間儲能電感L中的電流減少量相等時，電路才達到平衡狀態(tài)，即在穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等，因此：

D為占空比。改變D，輸出電壓Uo的平均值也就隨之改變。因此，當負載及電網電壓變化時，可以通過閉合的反饋控制回路自動地調整占空比D來使輸出電壓Uo維持不變。

2.2升壓型拓撲結構

升壓型DC/DC轉換器將輸入電壓變換成較高的穩(wěn)定輸出電壓，又稱升壓開關電源。

如圖2是升壓型開關電源的典型電路。Ui 為輸入電源，S是主開關管，D是整流管。該電路的每個開關周期同樣可分為兩個階段：第一階段，S導通，忽略開關管的正向導通壓降，D截止。此時，電感電流線性上升，能量從輸入電源轉換成磁場能存儲在電感L中，負載RL上得到的電壓由電容C提供;第二階段：S截止，電感電流 開始線性下降，能量由電感元件流向負載。經電容C濾波，在負載RL上可得到脈動很小的直流電