高頻電源適配器常用的變換器電路類型

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高頻電源適配器常用的變換器電路類型

電源適配器變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開(kāi)關(guān)器件和儲(chǔ)能元件的不同配置。電源適配器變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型：非隔離型（在工作期間輸入源和輸出負(fù)載共用一個(gè)共同的電流通路）和隔離型（能量轉(zhuǎn)換是用一個(gè)相互耦合的磁性元件變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且從源到負(fù)載的耦合是借助于磁通而不是共同的電流回路）。變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)系統(tǒng)造價(jià)、性能指標(biāo)和輸入/輸出負(fù)載特性諸因素選定的。
1．非隔離開(kāi)關(guān)變換器
非隔離開(kāi)關(guān)變換器有4種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于DC/DC變換器。

（1）降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
降壓式電源適配器的典型電路如圖1-5所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1截止，輸入的整流電壓經(jīng)VT1和L向C充電，這一電流使電感L中的儲(chǔ)能增加。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，并經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放存儲(chǔ)的能量，維持直流輸出電壓不變。電路輸出的直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。
這種電路所用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。降壓變換器將輸入電壓變換成較低的穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電壓（Uo）和輸入電壓（Ui）的關(guān)系為：

（2）升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
升壓式電源適配器的典型電路如圖1-6所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸入電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸入電壓，形成升壓式電源適配器。升壓變換器將輸入電壓變換成較高的穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：

降壓式電源適配器

（3）逆向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
逆向變換器將輸入電壓變換成較低的反相輸出電壓。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

（4）反轉(zhuǎn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
反轉(zhuǎn)式電源適配器的典型電路如圖1-7所示。這種電路又稱為升降壓式電源適配器。無(wú)論開(kāi)關(guān)管VT1之前的脈動(dòng)直流電壓是高于還是低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。

圖反轉(zhuǎn)式電源適配器
當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感L儲(chǔ)存能量，二極管VD1截止，負(fù)載RL靠電容C上的充電電荷供電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時(shí)給電容C充電。
反轉(zhuǎn)式變換器將輸入電壓變換成穩(wěn)定的較低的反相電壓或較高的輸出電壓（電壓值取決于占空比）。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：

2．隔離式開(kāi)關(guān)變換器
隔離式開(kāi)關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，但其中3種比較通用，它們是逆向變換器、正向變換器和推挽變換器。在這些電路中，從輸入電源適配器到負(fù)載的能量轉(zhuǎn)換是通過(guò)一個(gè)變壓器磁通耦合或其他磁性元件實(shí)現(xiàn)的。

（1）推挽型變換器與半橋型變換器
推挽型變換器與半橋型變換器是典型的逆變整流型變換器，電路結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。加在變壓器一次繞組上的電壓為幅度等于輸入電壓Ui、寬度為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton的脈沖波形，變壓器二次電壓經(jīng)二極管VD1、VD2全波整流變?yōu)橹绷鳌?br />

圖推挽型與半橋型變換電路
推挽式電源適配器的典型電路如圖（a）所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。該電路使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1和VT2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替導(dǎo)通與截止，在變壓器T的次級(jí)統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?br /> 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的耐壓要達(dá)到電路峰值電壓的兩倍。電路的輸出功率較大，一般為100～500W。
圖（b）所示為半橋型變換器的電路結(jié)構(gòu)。如只從輸出側(cè)濾波器來(lái)看，其工作原理和降壓型變換器完全相同，二次側(cè)濾波電感用于存儲(chǔ)能量。電壓變換比m與降壓型變換器相類似，即：

式中：n為變壓器的匝數(shù)比，n=N1/N2；N1為一次繞組的匝數(shù)；N2為二次繞組的匝數(shù)。

（2）單端激勵(lì)型變換器
①單端反激式電源適配器。單端反激式電源適配器的典型電路如圖1-9（a）所示。所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激是指當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，變壓器T初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量通過(guò)次級(jí)繞組及VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。單端反激式電源適配器是一種成本較低的電源適配器電路，輸出功率為20～100W，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率；的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對(duì)固定的負(fù)載。
單端反激式電源適配器使用的開(kāi)關(guān)管VT1承受的較大反向電壓是電路工作電壓的兩倍，工作頻率為20～200kHz。
②單端正激式電源適配器。其典型電路如圖1-9（b）所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，VD2也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感L儲(chǔ)存能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)管VT1截止時(shí)，電感L通過(guò)續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。它是采用變壓器耦合的降壓型變換器電路。與推挽型變換器一樣，加在變壓器一次側(cè)（一半）上的脈沖電壓的振幅等于輸入電壓Ui，寬度為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，變壓器二次電壓經(jīng)二極管全波整流變?yōu)橹绷鳌ｋ妷鹤儞Q比為m=D/n。

開(kāi)關(guān)管VT1斷開(kāi)時(shí)，變壓器釋放能量，二極管VD3和繞組N3就是為此而設(shè)的，能量通過(guò)它們反饋到輸入側(cè)。開(kāi)關(guān)一斷開(kāi)，繞組N1中存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到繞組N3中。為防止變壓器飽和，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間內(nèi)變壓器必須全部消磁，則tre≤(1?D)Ts。
在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD1，它可以將開(kāi)關(guān)管VT1的較高電壓限制在兩倍電源適配器電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。
由于這種電路在開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50～200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正由于這個(gè)原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。

（3）隔離型Cuk變換器
隔離型Cuk變換器電路如圖1-10所示。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感L1的電流IL1對(duì)電容C11充電，同時(shí)C12也充電（二極管VD導(dǎo)通）；開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通時(shí)，二極管VD變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，C12通過(guò)L2向負(fù)載放電。

（4）電流變換器
電流變換器電路如圖1-11所示，它是逆變整流型變換器。圖1-11（a）是能量回饋方式，開(kāi)關(guān)VT1(VT2)導(dǎo)通時(shí)，電感器L的一次側(cè)電壓為Ud?nUo（式中n=N1/N2），電感L勵(lì)磁并儲(chǔ)存能量；VT1(VT2)斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過(guò)二極管VD3反饋到輸入側(cè)。對(duì)于圖1-11（b）所示的變換器，兩只開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，加在電感L上的電壓為Ud，電感L勵(lì)磁并儲(chǔ)存能量。任意一只開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，反向電壓（nUo?Ud）加到電感L上，電感L釋放能量，其工作原理與升壓升壓型變換器類似。

圖電流變換器電路

（5）全橋型變換器
全橋型變換器如圖1-12所示，VT1、VT3及VT2、VT4是兩對(duì)開(kāi)關(guān)管，重復(fù)交互通斷，但兩對(duì)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通有時(shí)間差，所以變壓器一次側(cè)加的電壓UAB為脈沖寬度等于其時(shí)間差的方波電壓。變壓器二次側(cè)的二極管將此電壓整流變?yōu)榉讲ǎ俳?jīng)濾波器變?yōu)槠交绷麟姽┙o負(fù)載。電壓變換比為m=D/n。

圖全橋型變換電路

（6）準(zhǔn)諧振型變換器
在開(kāi)關(guān)變換器電路中接入電感和電容的諧振電路，流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流以及加在開(kāi)關(guān)兩端的電壓波形為準(zhǔn)正弦波，這種電路被稱為準(zhǔn)諧振型變換器。
圖所示為電流諧振開(kāi)關(guān)和電壓諧振開(kāi)關(guān)的基本電路以及工作波形。圖（a）所示是電流諧振開(kāi)關(guān)，諧振用電感Lr和開(kāi)關(guān)VT串聯(lián)，流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流為正弦波的一部分。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流is從0以正弦波形狀上升，上升到電流峰值后，又以正弦波形狀減小到零。電流變?yōu)榱阒螅_(kāi)關(guān)斷開(kāi)，波形圖如圖（a）所示。開(kāi)關(guān)再次導(dǎo)通時(shí)，重復(fù)以上過(guò)程。由此可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)在零電流時(shí)通斷，這樣動(dòng)作的開(kāi)關(guān)叫做零電流開(kāi)關(guān)（Zero-CurrentSwitch），簡(jiǎn)稱為ZCS。在零電流開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)通斷時(shí)與電壓重疊的電流非常小，從而可以降低開(kāi)關(guān)損耗。采用電流諧振開(kāi)關(guān)時(shí)，寄生電感可作為諧振電路元件的一部分，這樣可以降低開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。
圖（b）所示電路為電壓諧振開(kāi)關(guān)，諧振電容Cr與開(kāi)關(guān)并聯(lián)，加在開(kāi)關(guān)兩端的電壓波形為正弦波的一部分。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端電壓從0以正弦波形狀上升，上升到峰值后又以正弦波形狀下降為零。電壓變?yōu)榱阒螅_(kāi)關(guān)導(dǎo)通，波形圖如圖（b）所示。開(kāi)關(guān)再斷開(kāi)時(shí)，重復(fù)以上過(guò)程。可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)在關(guān)在零電壓處通斷，這樣動(dòng)作的開(kāi)關(guān)叫做零電壓開(kāi)關(guān)（Zero-VoltageSwitch），簡(jiǎn)稱ZVS。在零電壓開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)通斷時(shí)與電流重疊的電壓非常小，從而可以降低開(kāi)關(guān)損耗。這種開(kāi)關(guān)中寄生電感與電容作為諧振元件的一部分，可以消除開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電流浪涌與斷開(kāi)時(shí)的電壓浪涌。

圖準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電路

電流諧振開(kāi)關(guān)中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電流脈沖寬度由諧振電路決定，為了進(jìn)行脈沖控制，需要保持導(dǎo)通時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)時(shí)間。對(duì)于電壓諧振開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電壓脈沖寬度由諧振電路決定，為了進(jìn)行脈沖控制，需要保持開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)時(shí)間不變，改變開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。在以上兩種情況下，改變開(kāi)關(guān)工作周期，則諧振變換器由改變開(kāi)關(guān)工作頻率進(jìn)行控制。
在圖所示電路中，開(kāi)關(guān)電壓或電流的波形為半波，但也可以為全波，因此諧波開(kāi)關(guān)又可分為半波諧振開(kāi)關(guān)和全波諧振開(kāi)關(guān)兩種。

（7）自激式電源適配器
自激式電源適配器的典型電路如圖所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的電源適配器，也是目前廣泛使用的基本電源適配器之一。

當(dāng)接入電源適配器后，R1給開(kāi)關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流，使VT1開(kāi)始導(dǎo)通，其集電極電流IC在L1中線性增大，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為正、發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使VT1很快飽和。與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給C1充電。隨著C1充電電壓的增大，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，IC開(kāi)始減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1迅速截止。這時(shí)二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。在VT1截止時(shí)，L2中沒(méi)有感應(yīng)電壓，直流供電輸入電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1的基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式電源適配器那樣，由變壓器T的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。
自激式電源適配器中的開(kāi)關(guān)管起著開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且工作在反激狀態(tài)下，具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源適配器，亦適用于小功率電源適配器。

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