探讨开关电源拓扑结构的优缺点

  为了表征各种电压或电流波形的好坏,通常都是拿电压或电流的幅值、平均值、有效值、一次谐波等参量相互进行比照。在开关电源当中,电压或电流的幅值和 平均值最直观,因而,我们用电压或电流的幅值与其平均值之比,称为脉动系数S;也有人用电压或电流的有效值与其平均值之比,称为波形系数K。
  因而,电压和电流的脉动系数Sv、Si以及波形系数Kv、Ki别离表明为:
  Sv = Up/Ua —— 电压脉动系数 (1-84)
  Si = Im/Ia —— 电流脉动系数 (1-85)
  Kv =Ud/Ua —— 电压波形系数 (1-86)
  Ki = Id/Ia —— 电流波形系数 (1-87)
  上面4式中,Sv、Si、Kv、Ki别离表明:电压和电流的脉动系数S,和电压和电流的波形系数K,在通常能够分明白的情况下通常都只写字母大写S或 K。脉动系数S和波形系数K都是表征电压或许电流好坏的目标,S和K的值,显然是越小越好。S和K的值越小,表明输出电压和电流越安稳,电压和电流的纹波 也越小。
  反激式开关电源的长处和缺陷
  1 反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差。
  反激式开关电源在操控开关接通时期不向负载供给功率输出,仅在操控开关关断时期才把存储能量转化为反电动势向负载供给输出,但操控开关的占空比为 0.5时,变压器次级线圈输出的电压的平均值约等于电压最大值的的二分之一,而流过负载的电流恰好等于变压器次级线圈最大电流的四分之一。即电压脉动系数 等于2,电流脉动系数等于4。反激式开关电源的电压脉动系数,和正激式开关电源的脉动系数底子相同,可是电流的脉动系数是正激式开关电源的电流脉动系数的 两倍。由此可知,反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差。格外是,反激式开关电源运用的时分,为了避免电源开关管过压击,起占空比 通常都小于0.5,此刻,流过变压器次级线圈的电流会呈现断续,电压和电流的脉动系数都会添加,其电压和电流的输出特性将会变得更差。
  2 反激式开关电源的瞬态操控特性相对来说比照差。
  由于反激式开关电源仅在开关关断时期才向负载供给能量输出,当负载电流呈现改变时,开关电源不能立即对输出电压或电流发生反响,而需求比及下一个周期 事,经过输出电压取样和调宽操控电路的效果,开关电源才开端对现已过去了的作业进行反响,即改动占空比,因而,反激式开关电源的瞬态操控特性相对来说比照 差。有时,当负载电流改变的频率和相位与取样、调宽操控电路输出的电压的延时特性在相位保持一致的时分,反激式开关电源输出电压可能会发生颤动,这种情况 在电视机的开关电源中最简略呈现。
  3 反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感都比照大,开关电源变压器的作业效率低。
  反激式开关电源变压器的铁芯通常需求留必定的气隙,一方面是为了避免变压器的铁芯因流过变压器的初级线圈的电流过大,简略发生磁饱满。另一方面是由于 变压器的输出功率小,需求经过调整电压器的气隙和初级线圈的匝数,来调整变压器初级线圈的电感量的巨细。因而,反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感 都比照大,从而会下降开关电源变压器的作业效率,而且漏感还会发生反电动势,简略把开关管击穿。
  4 反激式开关电源的长处是电路比照简略,体积比照小,反激式开关电源输出电压受占空比的调制起伏,相关于正激式开关电源来要高许多。
  反激式开关电源的长处是电路比照简略,比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感,以及一个续流二极管,一次,反激式开关电源的体积要比正激式开关 电源的体积小,且本钱也要低。此外,反激式开关电源输出电压受占空比的调制起伏,相关于正激式开关电源来要高许多,因而,反激式开关电源请求调控占空比的 差错信号起伏要比照低,差错信号放大器的增益和动态规模也要较小。由于这些长处,现在,反激式开关电源在家电领域中仍是被广泛的运用。
  5 反激式开关电源多用于功率较小的场合或是多路输出的场合。
  6 反激式开关电源不需求加磁复位绕组。
  在反激式开关电源中,在开关管关断的时分,反激式变换器的变压器储能向负载开释,磁芯天然复位,不需求加磁复位办法。
  7 在反激式开关电源中,电压器既具有储能的功用,有具有变压和阻隔的功用。
  正激式开关电源的长处和缺陷
  1 正激式变压器开关电源输出电压的瞬态操控特性相对来说比照好。
  正激式变压器开关电源恰好是在变压器的初级线圈被直流电压鼓励时,变压器的次级线圈向负载供给功率输出,而且输出电压的起伏是底子安稳的,此刻虽然输 出功率不停地改变,但输出电压的起伏底子仍是不变,这说明正激式变压器开关电源输出电压的瞬态操控特性相对来说比照好;只要在操控开关处于关断时期,功率 输出才悉数由储能电感和储能电容两者一起供给,此刻输出电压虽然受负载电流的影响,但假如储能电容的容量获得比照大,负载电流对输出电压的影响也很小。
  2 正激式变压器开关电源负载才能相对来说比照强。
  由于正激式变压器开关电源通常都是选择变压器输出电压的一星期平均值,储能电感在操控开关接通和关断时期都向负载供给电流输出,因而,正激式变压器开关 电源的负载才能相对来说比照强,输出电压的纹波比照小。假如请求正激式变压器开关电源输出电压有较大的调整率,在正常负载的情况下,操控开关的占空比最佳 选择在0.5摆布,或稍大于0.5,此刻流过储能滤波电感的电流才是接连电流。当流过储能滤波电感的电流为接连电流时,负载才能相对来说比照强。
  3正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好许多。
  当操控开关的占空比为0.5时,正激式变压器开关电源输出电压uo的幅值恰好等于电压平均值Ua的两倍,流过滤波储能电感电流的最大值Im也恰好是平 均电流Io(输出电流)的两倍,因而,正激式变压器开关电源的电压和电流的脉动系数S都约等于2,而与反激式变压器开关电源的电压和电流的脉动系数S相 比,差不多小一倍,说明正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好许多。
  4正激式开关电源比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管。
  正激式变压器开关电源的缺陷也是十分显着的。其间一个是电路比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管。此外,正激式变压器 开关电源输出电压受占空比的调制起伏,相关于反激式变压器开关电源来说要低许多,这个从(1-77)和(1-78)式的比照就很显着能够看出来。因而,正 激式变压器开关电源请求调控占空比的差错信号起伏比照高,差错信号放大器的增益和动态规模也比照大。
  5正激式开关电源的体积比照大。
  正激式变压器开关电源为了削减变压器的励磁电流,进步作业效率,变压器的伏秒容量通常都获得比照大(伏秒容量等于输入脉冲电压起伏与脉冲宽度的乘积, 这里用US来表明),而且为了避免变压器初级线圈发生的反电动势把开关管击穿,正激式变压器开关电源的变压器要比反激式变压器开关电源的变压器多一个反电 动势吸收绕组,因而,正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。
  6正激式开关电源的变压器初级线圈发生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源发生的反电动势电压高。
  正激式变压器开关电源还有一个更大的缺陷是在操控开关关断时,变压器初级线圈发生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源发生的反电动势电压高。由于 通常正激式变压器开关电源作业时,操控开关的占空比都取在0.5摆布,而反激式变压器开关电源操控开关的占空比都获得比照小。
  7双管正激式变换器能够运用于较高电压输入,较大功率输出的场合。
  推挽式开关电源的长处和缺陷
  1推挽式开关电源输出电流瞬态响应速度很高,电压输出特性极好。推挽式开关电源是一切开关电源中电压使用率最高的开关电源
  由于推挽式开关电源中的两个操控开关轮番替换作业,其输出电压波形十分对称,而且开关电源在全部周期以内都向负载供给功率的输出,因而,其输出电流瞬 态响应速度很高,电压输出特性极好。推挽式开关电源是一切开关电源中电压使用率最高的开关电源。它在输入电压很低的情况下,依然能保持很大的输出功率,所 以推挽式开关电源被广泛的运用于低输入电压的DC/AC逆变器,活DC/DC变换器电路中。
  2 推挽式开关电源是一个输出电压特性极好的开关电源
  推挽式开关电源经桥式整流或全波整流后,其输出电压脉动系数和电流脉动系数都很小,因而,需求一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感就能够得到一个电压纹波和电流纹波很小的输出电压。因而,推挽式开关电源是一个输出电压特性极好的开关电源
  3推挽式开关电源变压器的漏感以及铜阻损耗都比单极性磁化极变压器小许多,开关电源的作业效率跟高。
  推挽式开关电源的变压器归于双极性磁化极,磁感应变压规模是单极性磁化极的两倍多,而且变压器铁芯不需求气隙,因而,推挽式开关电源变压器铁芯的磁导 率比单极性磁化极的正激或反激开关电源的变压器铁芯的磁导率高许多倍,这样推挽式开关电源变压器的初级、次级的线圈的匝数可比单极性磁化极变压器初级、次 级的线圈的匝数少一倍以上。所以,推挽式开关电源变压器的漏感以及铜阻损耗都比单极性磁化极变压器小许多,所以开关电源的作业效率跟高。
  4 推挽式开关电源的驱动电路简略。
  推挽式开关电源的两个开关器材有一个公共接地端,相关于半桥式或全桥式开关电源来说,驱动电路简略的多。
  5 推挽式开关电源不会像半桥、全桥式开关电源那样呈现两个操控开关一起勾结的可能性。
  6 推挽式开关电源的首要缺陷是两个开关器材需求很高的耐压值。
  推挽式开关电源的首要缺陷是两个开关器材需求很高的耐压,其耐压有必要大于作业电压的两倍。因而,推挽式开关电源在220V沟通供电设备中很少运用。别的,直流输出电压可调整式推挽开关电源 输出电压的调整规模比反激式开关电源输出电压的调整规模小许多,并需求一个储能滤波电感,因而,推挽式开关电源不宜用于请求负载电压改变规模太大的场合,格外是负载很轻或是常常开路的场合。
  7推挽式开关电源的变压器有两组初级线圈,关于小功率输出的推挽式开关电源是个缺陷,关于大功率输出的推挽式开关电源是个长处。由于大功率变压器的线 圈通常都是多股线来绕制的,因而,推挽式开关电源的变压器的两组初级线圈与用多股线绕制底子没有差异,而且两个线圈与单个线圈对比能够减低一半电流密度。
  8 推挽式变换器能够看作两个正激式变换器的组合,在一个开关周期内,这两的正激式变换器替换的作业。若两个正激式变换器不彻底对称或平衡时,就会呈现直流偏磁的景象,经过几个周期累计的偏磁,会使磁芯进入饱满状况,并致使高频变压器的励磁电流过大,乃至损坏开关管。
  9 推挽式、半桥式、全桥式变换器归于直流-沟通-直流变换器。由于直流-沟通变换器进步了作业频率,所以,变压器和输出滤波器的体积和分量都能够减小。
  半桥式开关电源的长处和缺陷
  1 半桥式变压器开关电源输出功率很大,作业效率很高
  半桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源相同,由于两个开关管轮番替换作业,相当于两个开关电源一起输出功率,其输出功率约等于单一开关电源输出 功率的两倍。因而,半桥式变压器开关电源输出功率很大,作业效率很高,经桥式整流或全波整流后,输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小,仅 需求很小的滤波电感和电容,其输出电压纹波和电流纹波就能够到达十分小。
  2 半桥式开关电源的开关管的耐压值比照低。
  半桥式变压器开关电源最大的长处是,对两个开关器材的耐压请求比推挽式变压器开关电源对两个开关器材的耐压请求能够下降一半。由于,半桥式变压器开关 电源两个开关器材的作业电压只要输入电源Ui的一半,其最高耐压等于作业电压与反电动势之和,大概是电源电压的两倍,这个成果恰好是推挽式变压器开关电源 两个开关器材耐压的一半。因而,半桥式变压器开关电源首要用于输入电压比照高的场合,通常电网电压为沟通220伏供电的大功率开关电源大多数都是用半桥式 变压器开关电源
  3半桥式开关电源的变压器初级线圈只需求一个绕组,这也是它的长处,这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些便利。但关于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势,由于,大功率开关电源变压器的线圈需求用多股线来绕制。
  4 半桥式变压器开关电源的缺陷首要是电源使用率比照低,因而,半桥式变压器开关电源不适宜用于作业电压较低的场合。别的,半桥式变压器开关电源中的两个开关器材衔接没有公共地,与驱动信号衔接比照费事。
  4 半桥式开关电源的缺陷是会呈现半导通区,损耗大。
  半桥式开关电源最大的缺陷是,当两个操控开关K1和K2处于替换变换作业状况的时分,两个开关器材会一起呈现一个很短时刻的半导通区域,即两个操控开 关一起处于接通状况。这是由于开关器材在开端导通的时分,相当于对电容充电,它从截止状况到彻底导通状况需求一个过渡进程;而开关器材从导通状况变换到截 止状况的时分,相当于对电容放电,它从导通状况到彻底截止状况也需求一个过渡进程。
  当两个开关器材别离处于导通和截止过渡进程时,即两个开关器材都处于半导通状况时半导通状况时,相当于两个操控开关一起接通,它们会造成对电源电压产 生短路;此刻,在两个操控开关的串联回路中将呈现很大的电流,而这个电流并没有经过变压器负载。因而,在两个操控开关K1和K2一起处于过渡进程时期,两 个开关器材将会发生很大的功率损耗。为了下降操控开关过渡进程发生的损耗,通常在半桥式开关电源电路中,都有意让两个操控开关的接通和截止时刻错开一小段 时刻。
  5 单电容半桥式变压器开关电源比双电容半桥式变压器开关电源节省一个电容器,这是它的长处。别的,单电容半桥式变压器开关电源刚开端作业的时分,输出电压差 不多比双电容半桥式变压器开关电源是输出电压高一倍,这种特点最适用于作为荧光灯电源,例如,节能灯或日光灯以及LCD显示屏的背光灯等。
  荧光灯通常开端点亮的时分需求很高的电压,大概几百伏到几千伏,而点亮今后作业电压才需求几十伏到1百多伏,因而,简直一切的节能灯无一不是运用单电容半桥式变压器开关电源
  6单电容半桥式变压器开关电源也有缺陷,即是开关器材的耐压请求比双电容半桥式变压器开关电源的耐压高。
 
  全桥式开关电源的长处和缺陷
  1 全桥式变压器开关电源输出功率很大,作业效率很高。
  全桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源相同,由于两组开关器材轮番替换作业,相当于两个开关电源一起输出功率,其输出功率约等于单一开关电源输 出功率的两倍。因而,全桥式变压器开关电源输出功率很大,作业效率很高,经桥式整流或全波整流后,其输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很 小,仅需求一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感,就能够得到一个电压纹波和电流纹波都很小的输出电压。
  2 全桥式开关电源的长处是开关管的耐压值格外的低。
  全桥式变压器开关电源最大的长处是,对4个开关器材的耐压请求比推挽式变压器开关电源对两个开关器材的耐压请求能够下降一半。由于,全桥式变压器开关 电源4个开关器材分红两组,作业时2个开关器材相互串联,关断时,每个开关器材所接受的电压,只要单个开关器材所接受电压的一半。其最高耐压等于作业电压 与反电动势之和的一半,这个成果恰好是推挽式变压器开关电源两个开关器材耐压的一半。
  3 全桥式变压器开关电源首要用于输入电压比照高的场合,在输入电压很高的情况下,选用全桥式变压器开关电源,其输出功率要比推挽式变压器开关电源的输出功率 大许多。因而,通常电网电压为沟通220伏供电的大功率开关电源大多数都是运用全桥式变压器开关电源。而在输入电压较低的情况下,推挽式变压器开关电源的 输出功率又要比全桥式变压器开关电源的输出功率大许多。
  4 全桥式变压器开关电源的电源使用率比推挽式变压器开关电源的电源使用率低一些,由于2组开关器材相互串联,两个开关器材接通时总的电压降要比单个开关器材 接通时的电压降大一倍;但比半桥式变压器开关电源的电源使用率高许多。因而,全桥式变压器开关电源也能够用于作业电源电压比照低的场合。
  5与半桥式开关电源相同,全桥式变压器开关电源的变压器初级线圈只需求一个绕组,这也是它的长处,这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些便利。但关于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势,由于,大功率开关电源变压器的线圈需求用多股线来绕。
  6 全桥式变压器开关电源的缺陷首要是功率损耗对比照大,因而,全桥式变压器开关电源不适宜用于作业电压较低的场合,不然作业效率会很低。别的,全桥式变压器开关电源中的4个开关器材衔接没有公共地,与驱动信号衔接比照费事。
  7 全桥式开关电源的缺陷是会呈现半导通区,损耗大。
  全桥式开关电源最大的缺陷是,当两组操控开关K1、K4和K2、K3处于替换变换作业状况的时分,4个开关器材会一起呈现一个很短时刻的半导通区域, 即两组操控开关一起处于接通状况。这是由于开关器材在开端导通的时分,相当于对电容充电,它从截止状况到彻底导通状况需求一个过渡进程;而开关器材从导通 状况变换到截止状况的时分,相当于对电容放电,它从导通状况到彻底截止状况也需求一个过渡进程。
  当两组开关器材别离处于导通和截止过渡进程时,即两组开关器材都处于半导通状况时,相当于两组操控开关一起接通,它们会造成对电源电压发生短路;此 时,在4个操控开关的串联回路中将呈现很大的电流,而这个电流并没有经过变压器负载。因而,在4个操控开关K1、K4和K2、K3一起处于过渡进程期 间,4个开关器材将会发生很大的功率损耗。为了下降操控开关过渡进程发生的损耗,通常在全桥式开关电源电路中,都有意让两组操控开关的接通和截止时刻错开 一小段时刻。
  双端阻隔式PWM DC/DC变换器,在一个开关周期内,功率从阻隔变压器的初级绕组的一端和另一端替换的输入,故称双端。双端阻隔式PWM DC/DC变换器的磁芯在B-H平面坐标系的第一和第三象限运转,故磁芯能够得到充沛的使用。

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