开关电源拓扑结构

Jul 24, 2023

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推导开关电源拓扑的下一步是在降压和非-隔离反激式配置中引入变压器。值得注意的是,无需研究变压器-耦合的Boost电路,因为一旦使用变压器,Boost和Flyback拓扑就变得完全相同。然而,降压和反激拓扑通过添加变压器实现了截然不同的性能。事实上,我们将把带有变压器的降压电路拓扑的名称更改为“正激”转换器拓扑,并保留反激式转换器的名称。可见,这些名称可以更直观地描述电路的基本特性。在正激转换器中,每个周期产生的能量脉冲立即传输到输出,而在反激转换器中,每个脉冲的能量暂时存储在磁芯中,然后释放到输出。该过程有点类似于压缩弹簧然后将其返回到原始位置。
两种拓扑都有很多优点。首先,增加的变压器可以实现安全隔离,因为变压器不通过直流电流,并且可以调整输出极性,从而使绕组接地更加灵活。此外,初级和次级绕组之间的匝数比 (N=N2/N1) 可以轻松实现电压调节,因此现在电源设计人员不再受到输入和输出工作范围的限制。最后一个优点是多个次级绕组可以耦合到变压器中以实现多个电压输出。请注意,正激和反激的增益比(电压比)公式与上述非-隔离结构相同,但增加了匝数比系数(一般在变压器设计完成后为常数)。

上面提到的单开关(single switch)拓扑的局限性之一是开关以一个方向驱动变压器,因此变压器需要复位机制,磁通量需要返回到起始点。这些复位技术稍后详细讨论,最常见的方法是使用等于能量脉冲的伏-秒复位,但这样做会限制最大占空比。

两种拓扑之间的区别在于变压器,这种区别是显而易见的。如前所述,正激变压器非常接近理想变压器,因此仅存储很少的能量(励磁电感较大),因此初级侧的电流直接通过变压器绕组耦合并流至输出滤波器级。相比之下,反激式变压器的磁化电感要小得多,需要存储输出负载所需的全部能量,而副边电流则被输出整流二极管拦截。当主开关关断时,绕组的极性反转,存储的能量以电流的形式流过输出整流器。从下图所示的波形中可以清楚地看到这些差异,两个电路都工作在50%占空比下(注意,由于反激电路的电压较高,次级匝数需要减半才能保持相同的输出电压)。

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