作者：微叶科技 时间：2015-07-14 16:48
随着高速IGBT的推出，工作频率可达50kHz以上，IGBT有用于SMPS(Switch Mode Power Supplies，市电输入的开关电源)的趋势。
AC-DC开关电源的电路拓扑一般是指储能元件（开关变压器或者储能电感）和功率开关元件（IGBT、VMOS 等）的配置方式。
1.单端正激电路
单端正激式(Forward) SMPS拓扑的电路简图如图1所示。其中，单端是指主开关为单管电路，正激指的是主开关变压器初次级绕组的相位关系。
图1 正激式拓扑电路系统简图
粗虚线框中的电路是功率开关电路，T是主开关变压器；Q1是功率寸姜，D21是次级整流二极管；D22是续流二被管；L21是储能电感，兼有扼流滤波作用；N1是主绕组（初级）；N4是复位绕组；N2是次级绕组；带箭头的虚线表明了瞬时电流的方向和路径。
所谓正激，即主开关变压器初、次级线圈的绕向是一样的，电气相位相同。这样做的好处是，Q1开通时，N2从初级绕组获得能量，向L21、C2l和负载RL提供能量；Q1关断时，L21内存储的能量向负载RL释放，D22为电感内能量的释放提供通路。同时，D2作为复位绕组N4的负载，在Q1关断期间消耗变压器磁心中存储的能量，使磁心复位。复位电路也可以像4. 25那样实现，在初级绕组上并联DRC(二极管、电阻、电容，Dll 、R11、C11)。
由于负载在Q1开通和关断期间都有能量（电流供应），因此正激式拓扑的输出纹波相对较小。
功率开关管Q1承受的最大直流电压约为主电路电压的1倍，电源输入为220V市电规格的条件下，Q1的电压规格至少为800V。如果采用了APFC 电路，则Q1的电压规格至少为1000V。
· EMI和PFC 电路在SMPS中很常见。
EMI电路主要是为了减小开关电源对电网的污染，PFC(功率因数校正）电路主要是为了提高开关电源的功率因数。EMI电路中的电容X、Y均要采用安规电容，不能用普通的电容替代，即使电压规格足够也不行。
PFC 电路有APFC(有源功率因数校正)和PPFC(无源功率因数校正)两大类。按照新的EMI规范，输出功率超过75W的电源均应该配置 PFC 电路。APFC 电路通常称为单管升压式APFC 电路，对于220V市电输入，Cl上的直流电压即主电源直流电压410V。
2．单端反激电路结构
单端反激式（Flyback) SMPS 电路简图如图2所示。粗虚线框中的电路是功率开关电路，T是主开关变压器，Q1是功率开关，D21是次级整流二极管；带箭头的虚线表明了瞬时电流的方向和路径。
图2 反激式拓扑电路系统简图
所谓反激，就是主开关变压器切换初、次级线圈的绕向是相反的，电气相位也相反：Q1开通时，T的次级N2从T的初级N1获得能量；Q1关断时，N2向负载RL释放能量，并对电容C21充电。
同时，D11、C11、R11构成磁心复位电路，在Q1关断期间消耗变压器磁心中存储的能量，使磁心复位。另外，这个复位电路还有电压钳位作用，将N1两端的电压钳制在安全范围内。
反激式拓扑的优点是，在功率开关Q1关断期间，T初级线圈的反向电压不会和C1上的电压相加。因此，在电源输入为220V市电的条件下，Q1的电压规格为600V以上即可；如果采用单管升压式APFC电路，则Q1的电压规格至少为700V。
正激式与反激式的主要区别参见表1。 表1 正激式与反激式拓扑的对比（以VMOS为主开关管）
项目 正激式 反激式
主开关管的电压规格（220V市电供电） 800V 600V
储能电感L21的功能 储能兼滤波 滤波（非必须）
续流二极管D22 必需 不要用
主开关变压器T的磁心是否有气隙 无 有
主开关变压器的作用 与市电隔离 有 有
变压 有 有
储能电感 无 有
主开关变压器线圈中的电流 小 大
主开关变压器线圈中的损耗（铜损） 小 大
主开关变压器的磁心 小 大
次级自驱动同步整流 适合 不适合
推荐的最大输出功率 150W 100W
推荐的最大输出电流 15A以上 15A
电源的输出纹波 小 大
电源的综合效率 高 低
电源的综合成本 高 低
正是由于正激式电路结构的诸多优点，功率比较大的半桥、全桥拓扑中均采用正激方式。
不过，对于IGBT而言，饱和压降受电压规格的影响几乎可以忽略。因此，除了成本上的细微差别以外，正激式电路结构的优势就凸显出来了。
3．半桥拓扑电路
半桥式( Half bridge) SMPS 电路简图如图3所示。以220V市电规格计算，如果功率开关选择VMOS或者BJT，最大输出功率可达500W左右；加入PFC电路后，最大输出功率可以提高到750W左右；如果选择IGBT，则最大输出功率可以达到1500W以上。
图3 半桥拓扑电路系统简图
粗虚线框中的电路是功率开关电路，T是主开关变压器；Q1、Q2是功率开关；D21、D22是次级整流二极管（全波整理与）；L21是储能兼滤波电感；C3为隔直流电容，避免回路中的直流成分导致开关变压器的磁心饱和；带箭头的虚线表明了瞬时电流的方向和路径。
半桥电路的主要特征是采用了2个功率开关管和2个主滤波电容C1、C2，这2个主滤波电容同时担当着桥臂电容的作用，即被动式功率开关。因此，C1、C2需要承受比较大的电流冲击。
半桥电路结构几乎无一例外地采用正激式拓扑，2只功率开关管承受的最大电压与母线（主电路）电压相同：以220V规格的市电输入计算，功率开关管Q1和Q2的电压规格在400V以上即可满足要求。
但是，半桥式拓扑利用主电源滤波电容兼任被动桥臂后，PFC电路就不合适采用广泛应用的单管升压式APFC电路，采用基于铁心电感的PPFC电路比较多。
4.推挽式拓扑电路
推挽式（Push-Pull）SMPS电路简图如图4所示。以110V市电规格计算，如果功率开关选择VMOS或者BJT，最大输出功率可达500W左右；加入PFC电路后，最大输出功率可以提高到700W左右；如果选择IGBT，最大输出功率可以达到3000W以上。
图4 推挽式拓扑电路系统简图
推挽电路的电路主要特征是采用了2只功率开关，用主开关变压器的两个初级绕组担当被动桥臂，主滤波电容C1只担当储能滤波作用，受到的电流冲击比较小。
与半桥式拓扑电路相比，推挽式拓扑电路主变压器的初级侧电流只有半桥式的一半，变压器的磁滞损失、涡流损失相对较小，磁心的温升低，可以使用小规格的变压器。
推挽电路中，2只功率开关管都需要承受母线（主电路）电压的1倍。以220V市电输入计算，功率开关管Q1和Q2的电压规格至少为800V;如果采用升压式APFC 电路，则至少需要1000～1200V的电压规格。
如果以BJT、VMOS为功率开关，推挽拓扑并不适合于采用220v 商业电压的地区：高电压规格意味着功率开关自身功耗的迅速增加。因此，推挽拓扑主要用于采用110V市电的SMPS产品。但是，对于IGBT 来说，这似乎不是问题。
5．全桥式拓扑电路
全桥式(Full bridge) SMPS 电路简图如图5所示。以220V市电输入计算，如果功率开关选择VMOS或者BJT，最大输出功率可达1000W左右；加入PFC 电路后，最大输出功率可以提高到 1500W左右；如果选择IGBT，则最大输出功率可以达到3000W以上。
图5 全桥式拓扑电路系统简图
全桥电路的主要特征是采用了4只功率开关，相当于2个半桥电路的组合，也可以理解为用2只功率开关管替代了半桥电路中的电容桥臂，丽Cl只担当储能滤波作用，受到的电流冲击比较小。换言之，全桥电路集半桥电路与推挽电路的优点于一身。
全桥电路中，4只功率开关管承受的最大电压与母线（主电路）电压相同。以220V市电输人计算，功率开关管电压规格在400V以上即可满足要求；如果采用了升压式APFC 电路，则功率开关管的电压规格至少为500V。
6．双管正激拓扑
双管正激(Dual switch forward)拓扑也称为混合桥式(Hybrid bridge)拓扑、双开关正激(Two-Switch forward)拓扑，其电路简图如图6所示。
图6 双管正激拓扑电路系统简图
双关正激是单端正激拓扑的变形。其中，Q1与Q2由同一组栅极驱动信号控制，二者同时导通、同时关断，电路运行方式与单端正激相同。所不同的是，Q1、Q2共同承担初级工作电压（每管承担一半），Q1、Q2 电压规格可以选择得比正激方式低一半。Ql、Q2关断时，输出电流经D4续流；同时，D11和D12为初级绕组提供续流通道，使磁心复位。
以220V市电规格计算，如果功率开关选择VMOS或者BJT，最大输出功率可达350W左右；加人PFC 电路后，最大输出功率可以提高到 500W左右；如果选择IGBT，最大输出功率可以达到1000W以上。
7．有源钳位拓扑
有源钳位(Active clamp)是相对于采用RCD（无源器件电阻R、电容C和器件二极管D)或者LCD(L 即 电感，复位绕组)构成的无源钳位 电路而言—的。无源器件构成的钳位电路通常被称为突波吸收电路，其优点是电路简单，缺点是功耗大、钳位效果不够理想。有源钳位的缺点是控制 电路复杂。
在开关电源中，有源钳位既可以用于正激拓扑，也可以用于反激拓扑。双管正激拓扑中，也可以用有源钳位来代替无源钳位，以进一步减小功率开关的电压应力。
对于采用VMOS为功率开关的应用而言，有源钳位技术的优势尤其明显，VMOS可以降低一个等级，正激拓扑也可以用600V的VMOS（220V市电）。《，采用有源钳位拓扑后，主开关变压器的次级高频整流可以采用自驱动同步整流，简化同步整流的驱动。
有源钳位正激拓扑的主电路简图如图7所示。
图7 有源钳位正激拓扑电路系统筒图
与正激式拓扑相比，有源钳位增加了功率开关Q2（钳位开关）和钳位电容C2，有源钳位电路取代了复位绕组或者RCD复位电路；主开关变压器的结构得以简化；主开关Q1开通期间，钳位电路的功耗得以有效降低，提高了电路效率。
不过，有源钳位需要有效、可靠的控制技术，保证Q2的开/关精确度达到设计目标，从而保证钳位效果；如果Q2不能精确钳位，轻则影响钳位效率，重则会导致Q1击穿损坏。
上一篇：
高功率器件在变频电源中应用实例下一篇：
IPM模块在中频高压电源中应用实例
