开关电源主电路结构与工作原理 (开关电源主电路的组成)

开关电源的主回路是功率电流流经的通路,一般包括开关器件、储能器件、脉冲变压器等所有功率器件,以及供电输入端和负载端。

非隔离式主回路

非隔离式主回路指输入端与输出端电气相通,没有隔离。

1.1 串联式结构

串联式结构中,开关器件(下图中的开关三极管 T)与输入端、输出端、电感器 L、负载 RL 成串联连接。

当开关管 T 导通时,输入端电源通过开关管 T 及电感器 L 对负载供电,并同时对电感器 L 充电。

当开关管T 关断时,电感器 L 中的反向电动势使续流二极管 D 自动导通,电感器 L 中储存的能量通过续流二极管 D 形成的回路,对负载 R 继续供电,从而保证了负载端获得连续的电流。

串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压,因此为降压式变换。

1.2 并联式结构

并联式结构中,开关器件(下图中的开关三极管 T)与输出端负载成并联连接。

当开关管 T 导通时,输入端电源通过开关管 T 对电感器 L 充电,同时续流二极管 D 关断,负载 R 靠电容器存储的电能供电。

当开关管 T 关断时,续流二极管 D 导通,输入端电源电压与电感器 L 中的自感电动势正向叠加后,通过续流二极管 D 对负载 R 供电,并同时对电容器 C 充电。

可以获得高于输入电压的输出电压,因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流,并联结构比串联结果对输出滤波电容 C 的容量有更高的要求。

1.3 极性反转型变换器结构

极性反转型变换器结构中,输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是:在主回路中,相对于输入端而言,电感器 L 与负载成并联。开关管 T 交替工作于通/断两种状态,工作过程与并联式结构相似。

由于续流二极管 D 的反向极性,使输出端获得相反极性的电压输出。

隔离式主回路

隔离式主回路指输入端与输出端电气不相通,通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量,输入输出完全电气隔离。

2.1 单端正激式

单端正激式通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器。

脉冲变压器的原/付边相位关系,确保在开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边同时对负载供电。

该电路的最大问题是:开关管 T 交替工作于通/断两种状态,当开关管关断时,脉冲变压器处于空载状态,其中储存的磁能将被积累到下一个周期,直至电感器饱和,使开关器件烧毁。

图中的 D3 与 N3 构成的磁通复位电路,提供了泄放多余磁能的渠道。

2.2 单端反激式

反激式电路与正激式电路相反,脉冲变压器的原/付边相位关系,确保当开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边不对负载供电,即原/付边交错通断。

脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决,但是,由于变压器存在漏感,将在原边形成电压尖峰,可能击穿开关器件,需要设置电压钳位电路予以保护 D3、N3 构成的回路。

反激式与正激式很相象,表面上只是变压器同名端的区别,但电路的工作方式不同,D3、N3 的作用也不同。

2.3 推挽(变压器中心抽头)式

推挽式的电路结构特点是对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称关系,轮流通断,工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

主要优点:高频变压器磁芯利用率高、电源电压利用率高、输出功率大、两管基极均为低电平,驱动电路简单。

主要缺点:变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求较高。

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