[笔记]DCDC电路的基本拓扑结构

参考：李永东，现代电力电子学，电子工业出版社，2011

1.Buck 非隔离降压电路

1.1 CCM 连续电流工作模式

1.2 电感电流断续模式

1.3 优缺点

Buck 变换器的优点是电路简单，动态特性好;其缺点如下:①输入电流是脉动的，这将引起对输入电源的电磁干扰，所以在实际应用中常在电源与变换器之间增加一个输入滤波网络;②稳态电压比永远小于 1，即只能降压不能升压;③开关晶体管的发射极不接地，导致其驱动电路复杂。 

2.Boost 非隔离升压斩波器
 

2.1 优缺点

Boost 变换器的优点是:① 输入电流是连续的，这减轻了对电源的电磁干扰;② 开关晶体管发射极接地，使驱动电路简单。
Boost 变换器的缺点是:① 输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大，所以在实际应用中，在二极管与输出之间常加入一个输出滤波网络;② 电压变比永远大于 1，即只能升压，不能降压。

 3.Buck-Boost非隔离升降压斩波器

3.1 优缺点

从 Buck-Boost 变换器的基本工作原理可以看出，其工作过程更接近Boost 变换器，每个开关周期都有能量送到负载侧，具有很大的输出电压调节范围。但是因为电感在充电放电过程中直接与电源和负载联结，所以电路的输入输出电流的脉动都很大，特别是输入电流的高频交流谐波会产生严重的电磁干扰，通常的解决办法是在输入输出侧加滤波器。另外Buck-Boost变换器还有一个缺点是开关晶体管发射极不接地，使驱动电路复杂化。 

4.Cuk变换器

1980年前后，加州理工发明

4.1 优缺点

同前面三种电路相比，Cuk 电路具有很突出的优点:输入输出电流均为基本上平稳的直流，没有脉动，仅在直流成分的基础上附加很小的纹波;② 电压变比理论上可在 0~∞ 之间变化;③ 开关管一端接地，简化了驱动电路的设计。由于这些特点，Cuk 变换器又被称为最优拓扑(0ptimum-topology)变换器。 
Cuk 变换器虽然拓扑较好，但是并不广为使用，原因在于能量转换用电容需要承受极大的纹波电流，元件的耐压水平必须提高，成本增加，且可靠性稍差。

5.Zeta变换器

5.1 优缺点

功率因数在非连续工作模式=1.

6.Sepic变换器

 6.1 优缺点

将 Cuk 变换器中的电感与二极管的位置对调，就得到了 Sepic 变换器。小功率 PFC 整流器适宜采用 Sepic 拓扑，这种变换器可工作在连续导通方式下。它与隔离式 Boost 拓扑相比，器件应力低;与反激式变换器及其他变换器的断续导通工作方式比较，滤波器小。并且，使用这种电路时起动电流和冲击电流都得以限制。

6.2 应用1 - 有源钳位Sepic

 采用有源电压箝位的 Sepic 变换器如图 2.66 所示。此电路可利用变压器的漏感实现软开关，同时可限制开关管的峰值电压应力，通过控制输出二极管中的电流变化斜率，可减小其反向恢复电流和因此而产生的损耗。开关管的 ZVS 减少了开关损耗，这使得开关管能在较高的开关频率下工作从而减小了电抗元件的尺寸，并增加了控制器的带宽，减小了总谐波失真(THD:Total Harmonic Distortion)，电流环性能好，无须对联接的电容进行限制。

6.3 应用2 -  三电平Sepic变换器
 

将三电平概念引入到 Sepic 直流变换器中，可得一种新的三电平直流变换器的拓扑 Sepic 三电平变换器。(1)开关管和箝位二极管的电压应力为输入电压和输出电压之和的一半，与 Sepic 变换器相比降低了一半;(2)由于三电平结构的引入，使得 Sepic 三电平变换器的输入滤波电感L，和中间储能电感L，在相同条件下同 Sepic 变换器相比减小了很多从而减小了变换器的体积;(3)对实际电路存在的偏压问题，通过在反馈控制的基础上引入前馈控制进行调节可以在整个工作范围内实现均压。 

 附录A FAQ

1.什么是二极管的反向恢复电流？

二极管的反向恢复电流是指在二极管从导通状态切换到截止状态时，由于其内部电荷载流子的存储效应，会导致在短时间内产生一个反向的电流脉冲。这个过程称为反向恢复过程，而产生的反向电流就是反向恢复电流。

具体来说，当二极管处于正向导通状态时，电子和空穴会在PN结区积累。当外加电压突然反向时，这些积累的电荷不能立即消失，而是需要一段时间来重新分布和复合。在这段时间内，二极管实际上仍然允许电流反向通过，直到这些电荷完全消失，二极管才能真正进入截止状态。

反向恢复电流的大小和持续时间（通常用反向恢复时间来衡量）对电路的性能和效率有重要影响。如果反向恢复电流过大或持续时间过长，可能会导致电路中的开关元件（如晶体管或MOSFET）承受过高的电压应力，甚至引发故障。

因此，在设计高速开关电路时，通常会选择具有快速反向恢复特性的二极管（如快恢复二极管或肖特基二极管），以减小反向恢复电流和时间，提高电路的效率和可靠性。

2.MOS管体二极管的反向恢复电流和原电流方向同向，对吧？

是的，它的主要作用是避免在MOS管关断时，如果负载是感性负载，避免在死区时间内产生较大的反向电压，提供续流通道。

1. 反向电压保护：在某些应用中，体二极管可以在MOS管承受反向电压时保护电路。例如，在电源转换器或电机驱动电路中，当MOS管关闭时，体二极管可以提供一个路径，使电流能够继续流动，从而避免过高的反向电压对MOS管造成损害。
2. 续流作用：在感性负载（如电感、电机等）的开关电路中，当MOS管关闭时，感性负载会产生反向电动势，这时体二极管可以提供一个续流路径，使感应电流能够继续流动，从而避免过高的电压尖峰。

2.1 注意事项

• 开关速度：体二极管的存在可能会影响MOS管的开关速度，特别是其反向恢复特性（与二极管的反向恢复电流类似）会在高频开关应用中引起功率损耗和电磁干扰。
• 设计考虑：在一些高频或高效率的应用中，设计者可能会选择外加快速恢复二极管或肖特基二极管来替代体二极管，以提高电路性能。