開關電源主電路結構及工作原理

2021-04-24 ryder

主回路—開關電源中，功率電流流經的通路。主回路一般蘊含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負載端。

開關電源(直流變換器)的類型很多，在研究開發或者維修電源系統時，全面知道開關電源主回路的各種基本類型，以及工作原理，具有極其緊要的意義。

開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

1.非隔離式電路的類型：

非隔離——輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。

1.1.串聯式結構

串聯——在主回路中開關器件(下圖中所示的開關三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯連接的關系。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，當開關管T關斷時，電感器L中的反向電動勢使續流二極管D自動導通，電感器L中儲存的能量通過續流二極管D形成的回路，對負載R持續供電，從而保證了負載端獲得繼續的電流。

串聯式結構，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。

1.2.并聯式結構

并聯——在主回路中，相關于輸入端而言，開關器件(下圖中所示的開關三極管T)與輸出端負載成并聯連接的關系。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載R靠電容器存儲的電能供電;當開關管T關斷時，續流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向重疊后，通過續流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。

由此可見，并聯式結構中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得繼續的負載電流，并聯結構比串聯結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。

1.3.極性反轉型變換器結構

極性反轉——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特點是：在主回路中，相關于輸入端而言，電感器L與負載成并聯。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，工作過程與并聯式結構相近，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載RL靠電容器存儲的電能供電;當開關管T關斷時，續流二極管D導通，電感器L中的自感電動勢通過續流二極管D對負載RL供電，并同時對電容器C充電;由于續流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。(信息來源：)

2.隔離式電路的類型：

隔離——輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。

2.1.單端正激式

單端——通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器;

正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保在開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。

該電路的最大問題是：開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管關斷時，脈沖變壓器處于“空載”狀態，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期，直至電感器飽和，使開關器件燒毀。圖中的D3與N3構成的磁通復位電路，供應了泄放多余磁能的渠道。

2.2.單端反激式

反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保當開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易處理，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關器件，要設置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的差別，但電路的工作方式不同，D3、N3的用途也不同。

2.3.推挽(變壓器中心抽頭)式

這種電路結構的特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。

緊要優勢：高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅動電路簡單。

緊要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。

2.4.全橋式

這種電路結構的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。

圖中T1、T4為一對，由同一組信號驅動，同時導通/關端;T2、T3為另一對，由另一組信號驅動，同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。

緊要優勢：與推挽結構相比，原邊繞組減少了一半，開關管耐壓降低一半。

緊要缺點：使用的開關管數量多，且要求參數一致性好，驅動電路復雜，實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。

2.5.半橋式

電路的結構類似于全橋式，只是把其中的兩只開關管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2。

緊要優勢：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格;適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以;開關管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路經常被用于各種非穩壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅動電路中。