開關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

主回路—開關(guān)電源中，功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲(chǔ)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(fù)載端。

開關(guān)電源(直流變換器)的類型很多，在研究開發(fā)或者維修電源系統(tǒng)時(shí)，全面了解開關(guān)電源主回路的各種基本類型，以及工作原理，具有極其重要的意義。

開關(guān)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(lián)式結(jié)構(gòu)

串聯(lián)——在主回路中開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負(fù)載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。

開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對負(fù)載供電，并同時(shí)對電感器L充電，當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，電感器L中的反向電動(dòng)勢使續(xù)流二極管D自動(dòng)導(dǎo)通，電感器L中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對負(fù)載R繼續(xù)供電，從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，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(lián)式結(jié)構(gòu)

并聯(lián)——在主回路中，相對于輸入端而言，開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。

開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載R靠電容器存儲(chǔ)的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動(dòng)勢正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對負(fù)載R供電，并同時(shí)對電容器C充電。

由此可見，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負(fù)載電流，并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。

1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)

極性反轉(zhuǎn)——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。

開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電，同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷，負(fù)載RL 靠電容器存儲(chǔ)的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，電感器L中的自感電動(dòng)勢通過續(xù)流二極管D對負(fù)載RL供電，并同時(shí)對電容器C充電;由于續(xù)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：www.diangon.com)

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(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器;

正激——脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊同時(shí)對負(fù)載供電。

該電路的最大問題是：開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期，直至電感器飽和，使開關(guān)器件燒毀。圖中的D3與N3構(gòu)成的磁通復(fù)位電路，提供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(guān)系，確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器付邊不對負(fù)載供電，即原/付邊交錯(cuò)通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，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(guān)器件，需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D3、N3構(gòu)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區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

2.3. 推挽(變壓器中心抽頭)式

這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對稱線圈，兩只開關(guān)管接成對稱關(guān)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。

主要優(yōu)點(diǎn)：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(qū)動(dòng)電路簡單。

主要缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對開關(guān)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊。

圖中T1、T4為一對，由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端;T2、T3為另一對，由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端。兩對開關(guān)管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負(fù)交變的脈沖電流。

主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。

主要缺點(diǎn)：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中。

2.5. 半橋式

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

主要優(yōu)點(diǎn)：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴(yán)格;適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以;開關(guān)管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。