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高频电源适配器常用的变换器电路类型

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高频电源适配器常用的变换器电路类型

电源适配器变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关器件和储能元件的不同配置。电源适配器变换器的拓扑结构可分为两种基本类型:非隔离型(在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路)和隔离型(能量转换是用一个相互耦合的磁性元件变压器来实现的,而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流回路)。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性诸因素选定的。
1.非隔离开关变换器
非隔离开关变换器有4种基本拓扑结构用于DC/DC变换器。

(1)降压拓扑结构
降压式电源适配器的典型电路如图1-5所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输入的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,并经负载RL和续流二极管VD1释放存储的能量,维持直流输出电压不变。电路输出的直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。
这种电路所用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。降压变换器将输入电压变换成较低的稳定的输出电压。输出电压(Uo)和输入电压(Ui)的关系为:

(2)升压拓扑结构
升压式电源适配器的典型电路如图1-6所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输入电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输入电压,形成升压式电源适配器。升压变换器将输入电压变换成较高的稳定的输出电压。输出电压和输入电压的关系为:

降压式电源适配器

(3)逆向拓扑结构
逆向变换器将输入电压变换成较低的反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为:

(4)反转式拓扑结构
反转式电源适配器的典型电路如图1-7所示。这种电路又称为升降压式电源适配器。无论开关管VT1之前的脉动直流电压是高于还是低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

图反转式电源适配器
当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。
反转式变换器将输入电压变换成稳定的较低的反相电压或较高的输出电压(电压值取决于占空比)。输出电压和输入电压的关系为:

2.隔离式开关变换器
隔离式开关变换器的拓扑结构有很多种,但其中3种比较通用,它们是逆向变换器、正向变换器和推挽变换器。在这些电路中,从输入电源适配器到负载的能量转换是通过一个变压器磁通耦合或其他磁性元件实现的。

(1)推挽型变换器与半桥型变换器
推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器,电路结构如图1-8所示。加在变压器一次绕组上的电压为幅度等于输入电压Ui、宽度为开关导通时间ton的脉冲波形,变压器二次电压经二极管VD1、VD2全波整流变为直流。

图推挽型与半桥型变换电路
推挽式电源适配器的典型电路如图(a)所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。该电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替导通与截止,在变压器T的次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。
这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到电路峰值电压的两倍。电路的输出功率较大,一般为100~500W。
图(b)所示为半桥型变换器的电路结构。如只从输出侧滤波器来看,其工作原理和降压型变换器完全相同,二次侧滤波电感用于存储能量。电压变换比m与降压型变换器相类似,即:

式中:n为变压器的匝数比,n=N1/N2;N1为一次绕组的匝数;N2为二次绕组的匝数。

(2)单端激励型变换器
①单端反激式电源适配器。单端反激式电源适配器的典型电路如图1-9(a)所示。所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。单端反激式电源适配器是一种成本最低的电源适配器电路,输出功率为20~100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率;唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。
单端反激式电源适配器使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压的两倍,工作频率为20~200kHz。
②单端正激式电源适配器。其典型电路如图1-9(b)所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。它是采用变压器耦合的降压型变换器电路。与推挽型变换器一样,加在变压器一次侧(一半)上的脉冲电压的振幅等于输入电压Ui,宽度为开关导通时间ton,变压器二次电压经二极管全波整流变为直流。电压变换比为m=D/n。

开关管VT1断开时,变压器释放能量,二极管VD3和绕组N3就是为此而设的,能量通过它们反馈到输入侧。开关一断开,绕组N1中存储的能量转移到绕组N3中。为防止变压器饱和,在开关断开期间内变压器必须全部消磁,则tre≤(1−D)Ts。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD1,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源适配器电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。
由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正由于这个原因,这种电路的实际应用较少。

(3)隔离型Cuk变换器
隔离型Cuk变换器电路如图1-10所示。开关断开时,电感L1的电流IL1对电容C11充电,同时C12也充电(二极管VD导通);开关VT导通时,二极管VD变为截止状态,C12通过L2向负载放电。

(4)电流变换器
电流变换器电路如图1-11所示,它是逆变整流型变换器。图1-11(a)是能量回馈方式,开关VT1(VT2)导通时,电感器L的一次侧电压为Ud−nUo(式中n=N1/N2),电感L励磁并储存能量;VT1(VT2)断开时,储存在电感L中的能量通过二极管VD3反馈到输入侧。对于图1-11(b)所示的变换器,两只开关同时导通时,加在电感L上的电压为Ud,电感L励磁并储存能量。任意一只开关断开时,反向电压(nUo−Ud)加到电感L上,电感L释放能量,其工作原理与升压升压型变换器类似。

图电流变换器电路

(5)全桥型变换器
全桥型变换器如图1-12所示,VT1、VT3及VT2、VT4是两对开关管,重复交互通断,但两对开关导通有时间差,所以变压器一次侧加的电压UAB为脉冲宽度等于其时间差的方波电压。变压器二次侧的二极管将此电压整流变为方波,再经滤波器变为平滑直流电供给负载。电压变换比为m=D/n。

图全桥型变换电路

(6)准谐振型变换器
在开关变换器电路中接入电感和电容的谐振电路,流经开关的电流以及加在开关两端的电压波形为准正弦波,这种电路被称为准谐振型变换器。
图所示为电流谐振开关和电压谐振开关的基本电路以及工作波形。图(a)所示是电流谐振开关,谐振用电感Lr和开关VT串联,流经开关的电流为正弦波的一部分。当开关导通时,电流is从0以正弦波形状上升,上升到电流峰值后,又以正弦波形状减小到零。电流变为零之后,开关断开,波形图如图(a)所示。开关再次导通时,重复以上过程。由此可见,开关在零电流时通断,这样动作的开关叫做零电流开关(Zero-CurrentSwitch),简称为ZCS。在零电流开关中,开关通断时与电压重叠的电流非常小,从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时,寄生电感可作为谐振电路元件的一部分,这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。
图(b)所示电路为电压谐振开关,谐振电容Cr与开关并联,加在开关两端的电压波形为正弦波的一部分。开关断开时,开关两端电压从0以正弦波形状上升,上升到峰值后又以正弦波形状下降为零。电压变为零之后,开关导通,波形图如图(b)所示。开关再断开时,重复以上过程。可见,开关在关在零电压处通断,这样动作的开关叫做零电压开关(Zero-VoltageSwitch),简称ZVS。在零电压开关中,开关通断时与电流重叠的电压非常小,从而可以降低开关损耗。这种开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分,可以消除开关导通时的电流浪涌与断开时的电压浪涌。

图准谐振开关电路

电流谐振开关中开关导通时电流脉冲宽度由谐振电路决定,为了进行脉冲控制,需要保持导通时间不变,改变开关的断开时间。对于电压谐振开关,开关断开时的电压脉冲宽度由谐振电路决定,为了进行脉冲控制,需要保持开关的断开时间不变,改变开关的导通时间。在以上两种情况下,改变开关工作周期,则谐振变换器由改变开关工作频率进行控制。
在图所示电路中,开关电压或电流的波形为半波,但也可以为全波,因此谐波开关又可分为半波谐振开关和全波谐振开关两种。

(7)自激式电源适配器
自激式电源适配器的典型电路如图所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的电源适配器,也是目前广泛使用的基本电源适配器之一。

当接入电源适配器后,R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流IC在L1中线性增大,在L2中感应出使VT1基极为正、发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电。随着C1充电电压的增大,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,IC开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止。这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输入电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1的基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式电源适配器那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。
自激式电源适配器中的开关管起着开关及振荡的双重作用,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态下,具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源适配器,亦适用于小功率电源适配器。


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| 发布时间:2019.05.27    来源:电源适配器厂家
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