各類變換器電路與工作原理介紹

在buck變換器開關與負載之間插入隔離變壓器，這種隔離型buck變換器叫做Forward單端正激變換器。如下圖所示：

Forward單端正激變換器

簡單分析可知，濾波電感L在開關管關斷期間，通過續流二極管為負載提供電流。D3的作用是鉗位，其功能是完成磁芯復位。當開關管關斷時，能量通過D3泄放到電源端，保證磁芯的磁通回到零。

Buck-boost變換器

將buck、boost兩種形式的變換器結合起來，產生一種新的變換器，叫做buck-boost變換器，其結構如下圖所示：

Buck-boost變換器

這種形式的變換器輸出電壓同輸入電壓是反相的。在buck型和boost型變換器中，存在一個能量直接從電源流向負載的時間，而在buck-boost變換器中，能量先存儲在電感中，然后再流向負載。

反激變換器

若將中間段的電感，改為隔離變壓器，就得到了常用的反激變換器（Flyback變換器）。如下圖所示是單端反激式變換器的電路圖：

單端反激式變換器

由變壓器的同名端可見，在開關管的導通期間，變壓器儲存能量，當晶體管關閉時，二極管導通，能量傳遞給負載。

Cuk變換器

將buck-boost變換器進行對偶變換，可以得到cuk變換器。其電路形式如下圖所示：

Cuk變換器

其中C是傳遞能量的耦合電容。當三極管導通時，電容C的能量通過L2、C2、R回路釋放，同時對C2、L2儲能，電源對L1儲能。在三極管關閉時，L1上的電流通過二極管D續流，同時對C充電。

當要求不同極性不同電壓的輸出時，需要加入隔離變壓器，這樣就形成了隔離Cuk變壓器，如下圖所示：

隔離Cuk變壓器

其工作原理同Cuk型變換器原理一樣。C0、C1的作用是使變壓器初、次級繞組都沒有直流通過。磁芯在兩個方向磁化，不需要加氣隙，體積可以做得很小。

推挽變換器

如下圖所示是推挽變換器原理圖。推挽變換器有兩個三極管交替開關，以達到比單管工作電路高的輸出頻率。由于初級線圈的中心抽頭接在輸入電源的正極，這樣當一邊三極管導通時，另外一邊的三極管要承受的耐壓為兩倍的電源電壓，這對晶體管的要求較高。從安全角度考慮，實際應用常要考慮耐壓為電源電壓的3.3倍。如果輸入電源從市電（220VAC）整流，那么晶體管的耐壓要求是1000V，這樣的晶體管并不常見，所以在我國，一次電源中基本不采用推挽設計的開關電路。

推挽變換器原理圖

全橋變換器

為解決晶體管耐壓問題的方法是采用橋式電路，如下圖所示，用四個晶體管代替了兩個晶體管，增加了成本但是增加了電路的可靠性。

全橋變換器的原理電路

這種設計降低了晶體管的電壓，所以提高了可靠性。需要指出的是，串聯在一起的兩個晶體管同時導通時，晶體管會過流損壞，要避免這種情況發生。

半橋變換器

如果將全橋變換器的一個橋臂的兩只晶體管用兩個電容代替，可以節省兩個晶體管，比較經濟。但是通常兩個電容體積比晶體管還大。這樣的電路稱為半橋變換器，如下圖所示：

半橋變換器

脈寬調制型開關電源設計注意事項

1.晶體管同時導通：在雙端變換器（如推挽、橋式），有可能產生晶體管同時導通的現象，這將導致晶體管在瞬間損壞。

2.容性負載：變換器的功耗取決于電壓電流在時間軸上的重疊部分。在瞬間關斷和導通，晶體管將對容性負載充電，如果容性負載很大，晶體管的功耗將變得很大，甚至損壞。

3.集電極尖峰電壓：電感主變壓器的漏感，就像在集電極上串聯一個小電感，當晶體管電流關斷時，這個漏感將在集電極上產生尖峰電壓。如果尖峰電壓不被抑制，會擊穿晶體管。

4.變壓器工作點沿磁滯回線垂直漂移：變壓器磁滯回線工作點應該保持在中心，如果電路使之偏離中心點，磁芯將進入飽和區。磁芯進入飽和區，變壓器失去阻抗變換的作用，阻抗值急劇下降，這樣晶體管的電流將會瞬間急劇擴大而導致器件損壞。

5.電源機殼上的開關噪聲電壓：通常在開關管集電極上出現高峰值的方波，或變壓器次級輸出接地端同機殼之間出現噪聲電壓。

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