电源转换器的种类docx

  虽然有很多作者与争论人员制造争论出很多种类的转换器电路，但是追根究底还是可归纳出三种最根本的电路出来，第一种称为“返驰式(flyback)”或者称为“buck-boost”型式，其次种称为“顺向式(forward)”或者称为“buck”型式，第三种称为“推挽式(push-pull)”或是称为“buck-derived”型式，在图3-1中，就是返驰式转换器的根本电路模型，其操作原理说明如下。

  在图3-1(a)中，当电路中的开关S关闭时，电流就会流经电感器L，并将能量储存于其中，由于电压极性的关系，二极体D是在逆向偏压状态，此时负载电阻R上就没有电压输出，当开关S

  翻开时，如图图3-1(b)所示，此时由于磁场的消逝，电感器L呈逆向极性，二极体D为顺向偏压，

  ON/OFF的作用，使得电感器的电流交替地在输入与输出间，连续不断的转变其方向，不过这二者

  电流都是属于脉动电流形式，所以在buck-boost转换器电路中，当开关是在导通周期时，能量是储存于电感器里，反之，当开关是在翻开(OFF)周期时，能量会转移至负载上。

  在图3-2为顺向转换器根本电路型式，其操作原理说明如下，当开关S关闭时，电流就会顺向地流经电感器L，此时在负载上就会有带极性的输出电压产生，如图3-2(a)所示，由于输入电压极性的关系，二极体D此时是在逆向偏压状态。如图3-2(b)所示，当开关S翻开时，电感器L会转变磁场，二极体D则为顺向偏压状态，因此在电容器C中就会有电流流过，因此在负载RL上输出电压

  的极性仍是一样的，一般我们称此二极体D为“自由转轮(free-wheeling)”或“飞轮(flywheel)”二极体。

  由于此种转换动作，使得输出电源是一种连续形式而非脉动电流形式，相对的由于开关S在

  ON/OFF之间转变，所以输入电流则为不连续形式，也是所谓的脉动电流形式。

  最终在图3-3中则为推挽式转换器的根本电路型式，其实它是由二个顺向转换器的电路所组成，

  操作于相互推挽的动作状态，开关S与S相互在ON/OFF状态间相互交换，此种电路一般也称之为

  在图3-1中的返驰式转换器，其输入与输出间，并没有安全的隔离装置，一般在转换式电源供给器里常用的隔离组件是变压器(transformer)。更正确的来说，虽然在电路图中消灭是变压器形式，但是其动作状态却是扼流圈(choke)形式，因此我们亦可直呼为变压器-扼流圈(transformer-choke)。

  在图3-4所示的电路为隔离返驰式转换器(isolatedflybackconverter)与其稳态的电路波形。电路的操作原理如下说明，当电晶体Q导通时，变压器的初级绕组渐渐地会有初级电流流过，并将能量

  储存于其中，由于变压器-扼流圈的输入与输出绕组，其极性是相反的，因此二极体被逆向偏压，此

  当电晶体不导通时，由于磁场的消逝导致绕组的极性反向，此时二极体D会被导通，输出电容器C会被充电，负载RL上有IL电流流过。

  由于此种隔离组件的动作就像是变压器与扼流圈，因此在返驰式转换器输出局部，就不需要额外的电感器了，但是在实际电路应用中，为了抑制高频的转换杂讯波尖，我们仍旧是会在整流器与输出电容器之间加装小型的电感器。

  在返驰式转换器中所使用的转换电晶体，必需考虑二个因素就是电晶体在OFF时的峰值集极电压大小与电晶体转换成ON时的峰值集极电流的大小。此峰值集极电压乃电晶体在转换成OFF状态时，所需要承受的电压大小

  因此公式3-1，就是通知我们选择使用转换电晶体时，为了避开其受损坏，必需考虑的集极电压

  我们亦可用转换器的输出功率与输入电压，来表示集极的峰值工作电流，其公式导出如下，在扼流圈中能量转移的公式可表示如下式

  由于返驰式转换器的变压器－－扼流圈，其仅在B-H特性曲线的单一方始终做转换运动，因此在设计变压器－－扼流圈时，不行设计于饱和工作状态，在第五章我们会有较具体的分析与设计。毫无疑问的所使用的铁心(core)，需有较大的体积并且有空气间隙(airgap)。

  我们在选择相对导磁率时，必需选择足够大，以避开铁心会有温度上升的情形发生，也由于对铁心与绕线尺寸大小的限制，因此会产生钢损失与铁心损失(copperandcorelosses)。

  当我们提到根本的返驰式电路时，转换电晶体在转换成不导通(turn-off)状态时，其集极电压一定要承受至少二倍的输入电压。因此对商业上使用图3-5的电路，它是由二个电晶体所组成的返驰式转换器电路。此二个电晶体在ON或OFF状态时，会同时一起作用，二极体D1与D2的动作就如定位二极体(clampingdiodes)能够限制电晶体的最大集极电压至Vin值，因此在选用电晶体时，就可采

  使用返驰式电路的优点就是格外简洁，因此对转换式电源供给器来说，它可到达多重输出的目的，此乃隔离组件对全部的输出，其动作状态就如一个共有的扼流圈。因此对每一个输出部份，仅需用到二极体与电容器即可，图3-6，就是一个实际的电路。

  乍看之下，隔离顺向式转换器(isolatedforwardconverter)的电路与返驰式转换器的电路，似乎有几分相像，但是实际争论它，此二电路之间在原理操作上还是有明显的不同，在图3-7所示，就是根本的顺向式转换器电路，与电路波形。

  由于顺向式转换器中所使用的隔离组件，乃是一个真正的变压器，因此为了猎取正确有效的能量转移，必需在输出端有电感器，做为次级感应的能量储存组件。而变压器的初级绕组与次级绕组(primaryandsecondarywindings)有一样之极性，如图中所示的圆圈符号，此电路的操作原理如下：

  当电晶体Q于ON的状态时，初级绕组渐渐会有电流流过，并将能量储存于其中，由于变压器次级

  绕组有一样的极性，此能量就会顺向转移至输出，且同时经由顺向偏压二极体D，储存于电感器L

  中，此时的二极体D为逆向偏压状态。当电晶体Q转换成OFF状态时，变压器的绕组电压会反向，

  D二极体此时就处于偏压的状况，此时飞轮二极体(flywheeldiode)D

  变压器上的第三个绕组与二极体D相互串联在一起，可到达变压器消磁(demagnetization)作用，

  如此可避开当电晶体Q于OFF时，变压器的磁能会转回至输入直流汇流排上。在图3-7的波形中有

  在图3-7中，由于变压器的第三个绕组与二极体D的作用，因此Q电晶体OFF时，其集极电

  我们由波形中亦可得知集极的峰值电压2V，恰为D二极体在导通之时刻，其导通周期为Tδ 。

  我们再来看看图中的波形，当电晶体在ON时，集极电流值的大小，就等于返驰式转换器的集极

  假设磁化电流部份(nTV )/L与集极峰值电流比较下其值格外小，可予以无视，此时I

  在设计顺向式转换器的变压器时，需多加留意选择比较适合的铁心大小与铁心的空气间隙，以防铁心被饱和了。在第五章里我们会有变压器的公式，来设计出适合的顺向式变压器。变压器的铁心大小为

  δ另外需留意的是电晶体开关 的工作周期需保持低于百分之五十以下，如此当经由第三绕组

  —变压器电压会被定位，而输入电压之间会有伏特秒(volt-seconds)积分作用产生，当Q电晶体ON

  δ时，定位于某一准位，当Q电晶体OFF时，其值为零。假设工作周期大于百分之五十，也就是0.5

  将会破坏伏特—秒(volt-seconds)积分作用的平衡，使得变压器趋于饱和状态，也会产生极高的集极

  虽然变压器的第三绕组与二极体的定位动作，能够限制电晶体的集极峰值电压至二倍的输入直流电压，但是有一点需留意的是，在绕制变压器时，需将第三绕组与初级绕组严密来绕制(使用双线绕法)，如此方可削减由漏电感产生的致命电压波尖。

  如同在返驰式转换器的状况，由于输入电压过高，电晶体承受较大的耐压值，因此改用二个电晶体的变化型式，同理顺向式转换器亦可应用此种变化的型式，如图3-8电路所示，此二个电晶体开关会同时ON或OFF，但是电晶体上所承受的电压不会超过Vin以上。

  顺向式转换器亦可应用于多重输出的电路中，不过在每一输出部份都需要有额外的二极体与扼

  流圈。在此需留意的是飞轮二极体至少要与主要的整流二极体有一样的电流额定值，这是由于当电晶体OFF时，会有满电流输出，在图3-9的电路，就是多重输出顺向转换器(multiple-outputforwardconverter)。

  推挽式转换器(push-pullconverter)乃是由二个反相位工作的顺向式转换器组合而成，在每一半周时，推挽式转换器会将功率传导至负载上，所以此种转换器更正确地来说应当称呼为推推转换器(push-pushconverter)，但是延用流行至今，我们仍旧是习惯称呼为推挽式转换器。

  在图3-10中，就是根本传统的推挽式电路构造与它的电路波形图。由于它有二个转换电晶体与输出二极体，由波形中观看得知，在每一组中的平均电流都被削减至百分之五十，此大过于等效的顺向转换器。在电晶体导通期间，二极体D与D同时导通，会将隔离变压器的次级短路，并将功

  在公式3-20中的δ 值必需低于0.5，为了避开转换电晶体同时导通，而破坏了电晶体。假设δ

  在前面我们所争论的返驰式与顺向式转换器中，其变压器仅利用到B-H特性曲线一半

  部份，因此铁心就较为笨大而且有空气间隙，假定在推挽式转换器的二个电晶体，其导通时间一样，则变压器就会使用到B-H曲线的各半部，如此铁心的大小仅需返驰式或顺向式的一半即可，而且空气间隙也不需要了。

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