開關(guān)電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析與比較

1 引言

開關(guān)電源被譽(yù)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(chǎn)品。

開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)通常由DC/DC功率轉(zhuǎn)換主電路和控制電路兩大部分所組成。其中DC/DC主電路進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，對(duì)電源設(shè)備的電性能、效率、溫升、可靠性、體積和重量等指標(biāo)有決定性的作用。

主電路中開關(guān)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的不同配置。開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)浞N類。

2 非隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器

對(duì)于小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器(例如100W以下)，實(shí)際上用開關(guān)晶體管、開關(guān)二極管、電感、電容各一個(gè)，就可以組成一臺(tái)非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，是各種 DC/DC轉(zhuǎn)換器中最簡(jiǎn)單的拓?fù)?。其主電路的核心是三端PWM開關(guān)，它表示DC/DC轉(zhuǎn)換器PWM開關(guān)組合。開關(guān)晶體管、開關(guān)二極管和電感元件的不同組合，可以構(gòu)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(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.1降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

降壓型DC/DC轉(zhuǎn)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(guān)電源。圖1為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)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(guān)管，二極管D是輔助開關(guān)管，也稱為整流管，一般使用具有較低正向?qū)妷旱男ぬ鼗O管。S是由來自控制電路的脈沖信號(hào)控制開關(guān)。RL表示負(fù)載電阻。

圖1 降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路

在一個(gè)開關(guān)周期中，首先，在控制電路作用下S導(dǎo)通，二極管因受反向偏壓而截止，電流由電池流經(jīng)S、電感L到電容C和負(fù)載。電感電流持續(xù)上升，電感儲(chǔ)能在增加，能量由電池傳送到電感并存儲(chǔ)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(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)使電流維持原來的流向，二極管 D導(dǎo)通，為電感電流構(gòu)成通路，電流由電感L流向電容C和負(fù)載，電感電流隨著時(shí)間而下降，能量由電感流向負(fù)載。

經(jīng)電感L、電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電壓Uo。為推導(dǎo)降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系，在主開關(guān)管S導(dǎo)通、二極管D截止時(shí)，忽略S管的正向?qū)▔航?整流管導(dǎo)通、主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，忽略二極管的壓降 ;忽略電感、電容的寄生電阻。因?yàn)橹挥性陂_關(guān)管導(dǎo)通期間，儲(chǔ)能電感 L的電流增加量和開關(guān)管截止期間儲(chǔ)能電感L中的電流減少量相等時(shí)，電路才達(dá)到平衡狀態(tài)，即在穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(dāng)負(fù)載及電網(wǎng)電壓變化時(shí)，可以通過閉合的反饋控制回路自動(dòng)地調(diào)整占空比D來使輸出電壓Uo維持不變。

2.2升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

升壓型DC/DC轉(zhuǎn)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(guān)電源。

如圖2是升壓型開關(guān)電源的典型電路。Ui 為輸入電源，S是主開關(guān)管，D是整流管。該電路的每個(gè)開關(guān)周期同樣可分為兩個(gè)階段：第一階段，S導(dǎo)通，忽略開關(guān)管的正向?qū)▔航?，D截止。此時(shí)，電感電流線性上升，能量從輸入電源轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在電感L中，負(fù)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(fù)載。經(jīng)電容C濾波，在負(fù)載RL上可得到脈動(dòng)很小的直流電