開關電源各拓撲結構優(yōu)缺點分析

導讀

為了表征各種電壓或電流波形的好壞，一般都是拿電壓或電流的幅值、平均值、有效值、一次諧波等參量互相進行比較。在開關電源之中，電壓或電流的幅值和 平均值最直觀，因此，我們用電壓或電流的幅值與其平均值之比，稱為脈動系數(shù)S;也有人用電壓或電流的有效值與其平均值之比，稱為波形系數(shù)K。

因此，電壓和電流的脈動系數(shù)Sv、Si以及波形系數(shù)Kv、Ki分別表示為：

Sv = Up/Ua —— 電壓脈動系數(shù) (1-84)

Si = Im/Ia —— 電流脈動系數(shù) (1-85)

Kv =Ud/Ua —— 電壓波形系數(shù) (1-86)

Ki = Id/Ia —— 電流波形系數(shù) (1-87)

上面4式中，Sv、Si、Kv、Ki分別表示：電壓和電流的脈動系數(shù)S，和電壓和電流的波形系數(shù)K，在一般可以分清楚的情況下一般都只寫字母大寫S或 K。脈動系數(shù)S和波形系數(shù)K都是表征電壓或者電流好壞的指標，S和K的值，顯然是越小越好。S和K的值越小，表示輸出電壓和電流越穩(wěn)定，電壓和電流的紋波 也越小。

反激式開關電源的優(yōu)點和缺點

1 反激式開關電源的電壓和電流的輸出特性要比正激式開關電源的差。

反激式開關電源在控制開關接通期間不向負載提供功率輸出，僅在控制開關關斷期間才把存儲能量轉化為反電動勢向負載提供輸出，但控制開關的占空比為 0.5時，變壓器次級線圈輸出的電壓的平均值約等于電壓最大值的的二分之一，而流過負載的電流正好等于變壓器次級線圈最大電流的四分之一。即電壓脈動系數(shù) 等于2，電流脈動系數(shù)等于4。反激式開關電源的電壓脈動系數(shù)，和正激式開關電源的脈動系數(shù)基本相同，但是電流的脈動系數(shù)是正激式開關電源的電流脈動系數(shù)的 兩倍。由此可知，反激式開關電源的電壓和電流的輸出特性要比正激式開關電源的差。特別是，反激式開關電源使用的時候，為了防止電源開關管過壓擊，起占空比 一般都小于0.5，此時，流過變壓器次級線圈的電流會出現(xiàn)斷續(xù)，電壓和電流的脈動系數(shù)都會增加，其電壓和電流的輸出特性將會變得更差。

2 反激式開關電源的瞬態(tài)控制特性相對來說比較差。

由于反激式開關電源僅在開關關斷期間才向負載提供能量輸出，當負載電流出現(xiàn)變化時，開關電源不能立即對輸出電壓或電流產生反應，而需要等到下一個周期 事，通過輸出電壓取樣和調寬控制電路的作用，開關電源才開始對已經過去了的事情進行反應，即改變占空比，因此，反激式開關電源的瞬態(tài)控制特性相對來說比較 差。有時，當負載電流變化的頻率和相位與取樣、調寬控制電路輸出的電壓的延時特性在相位保持一致的時候，反激式開關電源輸出電壓可能會產生抖動，這種情況 在電視機的開關電源中最容易出現(xiàn)。

3 反激式開關電源變壓器初級和次級線圈的漏感都比較大，開關電源變壓器的工作效率低。

反激式開關電源變壓器的鐵芯一般需要留一定的氣隙，一方面是為了防止變壓器的鐵芯因流過變壓器的初級線圈的電流過大，容易產生磁飽和。另一方面是因為 變壓器的輸出功率小，需要通過調整電壓器的氣隙和初級線圈的匝數(shù)，來調整變壓器初級線圈的電感量的大小。因此，反激式開關電源變壓器初級和次級線圈的漏感 都比較大，從而會降低開關電源變壓器的工作效率，并且漏感還會產生反電動勢，容易把開關管擊穿。

4 反激式開關電源的優(yōu)點是電路比較簡單，體積比較小，反激式開關電源輸出電壓受占空比的調制幅度，相對于正激式開關電源來要高很多。

反激式開關電源的優(yōu)點是電路比較簡單，比正激式開關電源少用了一個大的儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管，一次，反激式開關電源的體積要比正激式開關 電源的體積小，且成本也要低。此外，反激式開關電源輸出電壓受占空比的調制幅度，相對于正激式開關電源來要高很多，因此，反激式開關電源要求調控占空比的 誤差信號幅度要比較低，誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也要較小。由于這些優(yōu)點，目前，反激式開關電源在家電領域中還是被廣泛的應用。

5 反激式開關電源多用于功率較小的場合或是多路輸出的場合。

6 反激式開關電源不需要加磁復位繞組。

在反激式開關電源中，在開關管關斷的時候，反激式變換器的變壓器儲能向負載釋放，磁芯自然復位，不需要加磁復位措施。

7.在反激式開關電源中，電壓器既具有儲能的功能，有具有變壓和隔離的功能。

正激式開關電源的優(yōu)點和缺點

1 正激式變壓器開關電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好。

正激式變壓器開關電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負載提供功率輸出，并且輸出電壓的幅度是基本穩(wěn)定的，此時盡管輸 出功率不停地變化，但輸出電壓的幅度基本還是不變，這說明正激式變壓器開關電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好;只有在控制開關處于關斷期間，功率 輸出才全部由儲能電感和儲能電容兩者同時提供，此時輸出電壓雖然受負載電流的影響，但如果儲能電容的容量取得比較大，負載電流對輸出電壓的影響也很小。

2 正激式變壓器開關電源負載能力相對來說比較強。

由于正激式變壓器開關電源一般都是選取變壓器輸出電壓的一周平均值，儲能電感在控制開關接通和關斷期間都向負載提供電流輸出，因此，正激式變壓器開關 電源的負載能力相對來說比較強，輸出電壓的紋波比較小。如果要求正激式變壓器開關電源輸出電壓有較大的調整率，在正常負載的情況下，控制開關的占空比最好 選取在0.5左右，或稍大于0.5，此時流過儲能濾波電感的電流才是連續(xù)電流。當流過儲能濾波電感的電流為連續(xù)電流時，負載能力相對來說比較強。

3正激式變壓器開關電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關電源好很多。

當控制開關的占空比為0.5時，正激式變壓器開關電源輸出電壓uo的幅值正好等于電壓平均值Ua的兩倍，流過濾波儲能電感電流的最大值Im也正好是平 均電流Io(輸出電流)的兩倍，因此，正激式變壓器開關電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S都約等于2，而與反激式變壓器開關電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S相 比，差不多小一倍，說明正激式變壓器開關電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關電源好很多。

4正激式開關電源比反激式變壓器開關電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管。

正激式變壓器開關電源的缺點也是非常明顯的。其中一個是電路比反激式變壓器開關電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管。此外，正激式變壓器 開關電源輸出電壓受占空比的調制幅度，相對于反激式變壓器開關電源來說要低很多，這個從(1-77)和(1-78)式的對比就很明顯可以看出來。因此，正 激式變壓器開關電源要求調控占空比的誤差信號幅度比較高，誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也比較大。

5正激式開關電源的體積比較大。

正激式變壓器開關電源為了減少變壓器的勵磁電流，提高工作效率，變壓器的伏秒容量一般都取得比較大(伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積， 這里用US來表示)，并且為了防止變壓器初級線圈產生的反電動勢把開關管擊穿，正激式變壓器開關電源的變壓器要比反激式變壓器開關電源的變壓器多一個反電 動勢吸收繞組，因此，正激式變壓器開關電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關電源的變壓器的體積大。

6正激式開關電源的變壓器初級線圈產生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關電源產生的反電動勢電壓高。

正激式變壓器開關電源還有一個更大的缺點是在控制開關關斷時，變壓器初級線圈產生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關電源產生的反電動勢電壓高。因為 一般正激式變壓器開關電源工作時，控制開關的占空比都取在0.5左右，而反激式變壓器開關電源控制開關的占空比都取得比較小。

7雙管正激式轉換器可以應用于較高電壓輸入，較大功率輸出的場合。

推挽式開關電源的優(yōu)點和缺點

1推挽式開關電源輸出電流瞬態(tài)響應速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源。

由于推挽式開關電源中的兩個控制開關輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對稱，并且開關電源在整個周期之內都向負載提供功率的輸出，因此，其輸出電流瞬 態(tài)響應速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源。它在輸入電壓很低的情況下，仍然能維持很大的輸出功率，所 以推挽式開關電源被廣泛的應用于低輸入電壓的DC/AC逆變器，活DC/DC轉換器電路中。

2 推挽式開關電源是一個輸出電壓特性很好的開關電源。

推挽式開關電源經橋式整流或全波整流后，其輸出電壓脈動系數(shù)和電流脈動系數(shù)都很小，因此，需要一個很小值的儲能濾波電容或儲能濾波電感就可以得到一個電壓紋波和電流紋波很小的輸出電壓。因此，推挽式開關電源是一個輸出電壓特性很好的開關電源。

3推挽式開關電源變壓器的漏感以及銅阻損耗都比單極性磁化極變壓器小很多，開關電源的工作效率跟高。

推挽式開關電源的變壓器屬于雙極性磁化極，磁感應變壓范圍是單極性磁化極的兩倍多，并且變壓器鐵芯不需要氣隙，因此，推挽式開關電源變壓器鐵芯的磁導 率比單極性磁化極的正激或反激開關電源的變壓器鐵芯的磁導率高很多倍，這樣推挽式開關電源變壓器的初級、次級的線圈的匝數(shù)可比單極性磁化極變壓器初級、次 級的線圈的匝數(shù)少一倍以上。所以，推挽式開關電源變壓器的漏感以及銅阻損耗都比單極性磁化極變壓器小很多，所以開關電源的工作效率跟高。

4 推挽式開關電源的驅動電路簡單。

推挽式開關電源的兩個開關器件有一個公共接地端，相對于半橋式或全橋式開關電源來說，驅動電路簡單的多。

5 推挽式開關電源不會像半橋、全橋式開關電源那樣出現(xiàn)兩個控制開關同時串通的可能性。

6 推挽式開關電源的主要缺點是兩個開關器件需要很高的耐壓值。

推挽式開關電源的主要缺點是兩個開關器件需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作電壓的兩倍。因此，推挽式開關電源在220V交流供電設備中很少使用。另外，直流輸出電壓可調整式推挽開關電源 輸出電壓的調整范圍比反激式開關電源輸出電壓的調整范圍小很多，并需要一個儲能濾波電感，因此，推挽式開關電源不宜用于要求負載電壓變化范圍太大的場合，特別是負載很輕或是經常開路的場合。

7推挽式開關電源的變壓器有兩組初級線圈，對于小功率輸出的推挽式開關電源是個缺點，對于大功率輸出的推挽式開關電源是個優(yōu)點。

因為大功率變壓器的線 圈一般都是多股線來繞制的，因此，推挽式開關電源的變壓器的兩組初級線圈與用多股線繞制根本沒有區(qū)別，并且兩個線圈與單個線圈相比可以減低一半電流密度。

8 推挽式轉換器可以看作兩個正激式轉換器的組合，在一個開關周期內，這兩的正激式轉換器交替的工作。

若兩個正激式變換器不完全對稱或平衡時，就會出現(xiàn)直流偏磁的現(xiàn)象，經過幾個周期累計的偏磁，會使磁芯進入飽和狀態(tài)，并導致高頻變壓器的勵磁電流過大，甚至損壞開關管。

9 推挽式、半橋式、全橋式轉換器屬于直流-交流-直流轉換器。由于直流-交流轉換器提高了工作頻率，所以，變壓器和輸出濾波器的體積和重量都可以減小。

半橋式開關電源的優(yōu)點和缺點

1 半橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高

半橋式變壓器開關電源與推挽式變壓器開關電源一樣，由于兩個開關管輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關電源輸出 功率的兩倍。因此，半橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高，經橋式整流或全波整流后，輸出電壓的電壓脈動系數(shù)Sv和電流脈動系數(shù)Si都很小，僅 需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波和電流紋波就可以達到非常小。

2 半橋式開關電源的開關管的耐壓值比較低。

半橋式變壓器開關電源最大的優(yōu)點是，對兩個開關器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關電源對兩個開關器件的耐壓要求可以降低一半。因為，半橋式變壓器開關 電源兩個開關器件的工作電壓只有輸入電源Ui的一半，其最高耐壓等于工作電壓與反電動勢之和，大約是電源電壓的兩倍，這個結果正好是推挽式變壓器開關電源 兩個開關器件耐壓的一半。因此，半橋式變壓器開關電源主要用于輸入電壓比較高的場合，一般電網電壓為交流220伏供電的大功率開關電源大部分都是用半橋式 變壓器開關電源。

3半橋式開關電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組，這也是它的優(yōu)點，這對小功率開關電源變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關電源變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢，因為，大功率開關電源變壓器的線圈需要用多股線來繞制。

4 半橋式變壓器開關電源的缺點主要是電源利用率比較低.

因此，半橋式變壓器開關電源不適宜用于工作電壓較低的場合。另外，半橋式變壓器開關電源中的兩個開關器件連接沒有公共地，與驅動信號連接比較麻煩。

5 半橋式開關電源的缺點是會出現(xiàn)半導通區(qū)，損耗大。

半橋式開關電源最大的缺點是，當兩個控制開關K1和K2處于交替轉換工作狀態(tài)的時候，兩個開關器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導通區(qū)域，即兩個控制開 關同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關器件在開始導通的時候，相當于對電容充電，它從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài)需要一個過渡過程;而開關器件從導通狀態(tài)轉換到截 止狀態(tài)的時候，相當于對電容放電，它從導通狀態(tài)到完全截止狀態(tài)也需要一個過渡過程。

當兩個開關器件分別處于導通和截止過渡過程時，即兩個開關器件都處于半導通狀態(tài)時半導通狀態(tài)時，相當于兩個控制開關同時接通，它們會造成對電源電壓產 生短路;此時，在兩個控制開關的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負載。因此，在兩個控制開關K1和K2同時處于過渡過程期間，兩 個開關器件將會產生很大的功率損耗。為了降低控制開關過渡過程產生的損耗，一般在半橋式開關電源電路中，都有意讓兩個控制開關的接通和截止時間錯開一小段 時間。

6 單電容半橋式變壓器開關電源比雙電容半橋式變壓器開關電源節(jié)省一個電容器，這是它的優(yōu)點。另外，單電容半橋式變壓器開關電源剛開始工作的時候，輸出電壓差 不多比雙電容半橋式變壓器開關電源是輸出電壓高一倍，這種特點最適用于作為熒光燈電源，例如，節(jié)能燈或日光燈以及LCD顯示屏的背光燈等。

熒光燈一般開始點亮的時候需要很高的電壓，大約幾百伏到幾千伏，而點亮以后工作電壓才需要幾十伏到1百多伏，因此，幾乎所有的節(jié)能燈無一不是使用單電容半橋式變壓器開關電源。

7單電容半橋式變壓器開關電源也有缺點，就是開關器件的耐壓要求比雙電容半橋式變壓器開關電源的耐壓高。

全橋式開關電源的優(yōu)點和缺點

1 全橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高。

全橋式變壓器開關電源與推挽式變壓器開關電源一樣，由于兩組開關器件輪流交替工作，相當于兩個開關電源同時輸出功率，其輸出功率約等于單一開關電源輸 出功率的兩倍。因此，全橋式變壓器開關電源輸出功率很大，工作效率很高，經橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動系數(shù)Sv和電流脈動系數(shù)Si都很 小，僅需要一個很小值的儲能濾波電容或儲能濾波電感，就可以得到一個電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。

2 全橋式開關電源的優(yōu)點是開關管的耐壓值特別的低。

全橋式變壓器開關電源最大的優(yōu)點是，對4個開關器件的耐壓要求比推挽式變壓器開關電源對兩個開關器件的耐壓要求可以降低一半。因為，全橋式變壓器開關 電源4個開關器件分成兩組，工作時2個開關器件互相串聯(lián)，關斷時，每個開關器件所承受的電壓，只有單個開關器件所承受電壓的一半。其最高耐壓等于工作電壓 與反電動勢之和的一半，這個結果正好是推挽式變壓器開關電源兩個開關器件耐壓的一半。

3 全橋式變壓器開關電源主要用于輸入電壓比較高的場合，在輸入電壓很高的情況下，采用全橋式變壓器開關電源，其輸出功率要比推挽式變壓器開關電源的輸出功率 大很多。

因此，一般電網電壓為交流220伏供電的大功率開關電源大部分都是使用全橋式變壓器開關電源。而在輸入電壓較低的情況下，推挽式變壓器開關電源的 輸出功率又要比全橋式變壓器開關電源的輸出功率大很多。

4 全橋式變壓器開關電源的電源利用率比推挽式變壓器開關電源的電源利用率低一些，因為2組開關器件互相串聯(lián)，兩個開關器件接通時總的電壓降要比單個開關器件 接通時的電壓降大一倍;但比半橋式變壓器開關電源的電源利用率高很多。

因此，全橋式變壓器開關電源也可以用于工作電源電壓比較低的場合。

5與半橋式開關電源一樣，全橋式變壓器開關電源的變壓器初級線圈只需要一個繞組，這也是它的優(yōu)點，這對小功率開關電源變壓器的線圈繞制多少帶來一些方便。但對于大功率開關電源變壓器的線圈繞制沒有優(yōu)勢，因為，大功率開關電源變壓器的線圈需要用多股線來繞。

6 全橋式變壓器開關電源的缺點主要是功率損耗比較較大，因此，全橋式變壓器開關電源不適宜用于工作電壓較低的場合，否則工作效率會很低。另外，全橋式變壓器開關電源中的4個開關器件連接沒有公共地，與驅動信號連接比較麻煩。

7 全橋式開關電源的缺點是會出現(xiàn)半導通區(qū)，損耗大。

全橋式開關電源最大的缺點是，當兩組控制開關K1、K4和K2、K3處于交替轉換工作狀態(tài)的時候，4個開關器件會同時出現(xiàn)一個很短時間的半導通區(qū)域， 即兩組控制開關同時處于接通狀態(tài)。這是因為開關器件在開始導通的時候，相當于對電容充電，它從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài)需要一個過渡過程;而開關器件從導通 狀態(tài)轉換到截止狀態(tài)的時候，相當于對電容放電，它從導通狀態(tài)到完全截止狀態(tài)也需要一個過渡過程。

當兩組開關器件分別處于導通和截止過渡過程時，即兩組開關器件都處于半導通狀態(tài)時，相當于兩組控制開關同時接通，它們會造成對電源電壓產生短路;此 時，在4個控制開關的串聯(lián)回路中將出現(xiàn)很大的電流，而這個電流并沒有通過變壓器負載。因此，在4個控制開關K1、K4和K2、K3同時處于過渡過程期 間，4個開關器件將會產生很大的功率損耗。為了降低控制開關過渡過程產生的損耗，一般在全橋式開關電源電路中，都有意讓兩組控制開關的接通和截止時間錯開 一小段時間。

雙端隔離式PWM DC/DC轉換器，在一個開關周期內，功率從隔離變壓器的初級繞組的一端和另一端交替的輸入，故稱雙端。雙端隔離式PWM DC/DC轉換器的磁芯在B-H平面坐標系的第一和第三象限運行，故磁芯可以得到充分的利用。