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从演变的过程中分析多种电源拓扑结构

从演变的过程中分析多种电源拓扑结构

电源的拓扑有很多种,但是其实我们能够理解一种拓扑,就可以理解其他拓扑结构。因为组成各种拓扑的基本元素是一样的。




对于隔离电源。大家接触最多的电路拓扑应该是 flyback。

但是大家一开始做电源的时候,不会设计,连分析也不懂,唯一能做的是模仿(额,难听点就是抄袭了)。这样子的状态持续了一段时间后,才开始慢慢的有一些了解。但对于新手来说,如果能从基本拓扑结构BUCK、BOOST进行演变成更复杂的拓扑结构,那么我们融会贯通的理解各种拓扑结构,就变得非常容易。

其实理解隔离电源,相对非隔离DCDC来说,需要多理解一个基本元素——变压器。然后很多基本原理也可以通过基本拓扑进行演变。

本文就是做了一个演变的过程分析
为了分析 flyback 电路,我们从 flyback 的源头开始说吧。Flyback 是从最基本的三种电路中的buck-boost 演变而来的。所以对 buck-boost 的分析,一定有助于对 flyback 的分析,而且buck-boost 看起来似乎要比 flyback 简单,至少它没有变压器。

下面将要开始来对 buck-boost 进行演变,最终会演变成 flyback。



Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其输出均匀电压U0大于或小于输进电压Ui,极性相反。

图一 是 buck-boost 的原型电路。把电感 L 绕一个并联线圈出来,如图二:



把 L 的 2 个并联线圈断开连接,并且改变圈数比,改为:1:n,如图三:



把图三中的二极管沿着所在回路移动,变成阴极朝外的样子,并且,改变输出电压V和接地的位置。(二极管的作用是单向导通,电路没有其他分支电流,在一个环路中的两个位置,效果可以等效。)

(Buck Boost是实现反压的,但是我们隔离电源并不是需要反压,所以我们需要调换一下电源的极性。)如图四:



把图四中的 Q 顺着回路移动到变压器下方,如图五:(开关的位置其实在哪都可以,只是我们不希望MOS的打开条件Vgs的伏值不要太高。)



转变一下变压器的绕线方向,则形成了Flyback



以上说明,我们研究 buck-boost 的行为特性,对研究 flyback 的行为特性有很大的帮助。因为两个电路各工作过程都是极其类似的。只是在buck boost的拓扑中,只有一个电感,进行储能,而在flyback电路中,是一个变压器。原边侧的电磁能量,在原边侧电路突然断开的时候,能够把能量传递到副边侧。

对于Buck-Boost拓扑来说:
第一个工作状态:mosfet Q 开通,二极管 D 关断.如图八所示:





此时,输入电源对电感进行充电。电容原先充电的能量,对负载进行供电,保持其原来的电压。

第二个工作状态:Mosfet Q 关断,二极管 D 开通.如图九所示:





此时,电感会维持原来的电流。



我们来看下flyback的工作过程:

假定这个 flyback 电路仍然工作在稳定的 CCM 状态。

在状态 1 mosfet Q 开通,二极管 D 关断,电路如图所示。



类比于刚刚我们提到的BuckBoost的状态一,此时对电感进行充电,电容维持负载的电流。

在flyback的状态 2 Mosfet Q 关断,二极管 D 开通,此时变压器的副边对负载和电容进行充电。



刚刚我们讨论的是CCM情况。flyback有个另外的情况DCM。

工作在DCM情况下的flyback比在CCM下多了一个工作状态 3. 工作状态1 和工作状态2 与CCM的工作状态 1 和 2 相同,在工作状态 3 下,Mosfet Q 和二极管 D 都处于关断状态.三个工作状态经历时间分别为 d1Ts,d2Ts,d3Ts.
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