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激光電源主電路拓撲策略

開關電源的拓撲結構從本質上講是指功率變換電路的結構,簡稱為DC/DC變換器的結構[27]。不同的拓撲結構有不同的控制方式與之對應,對應的輸出電路的整流/濾波結構也會隨DC/DC變換器的拓撲結構不同而存在差異,拓撲結構決定了電路工作的原理及輸出特性。本節在理解常見半橋和全橋DC/DC變換器的拓撲結構及其工作原理的基礎上根據激光電源對電路拓撲的要求提出激光電源的主電路拓撲結構。
 
推挽式(Push-pull)DC/DC Converter拓撲
 
推挽式拓撲結構是利用兩只功率開關管交替工作來完成DC/DC的轉換。其結構可以看成兩個單管正激式DC/DC變換器的組合,如圖3-1所示。
 Converter的拓撲結構
推挽型DC/DC變換器的工作過程也可以分為如下兩個階段:
第一階段:當功率開關管Q1導通、Q2截止時,輸入電壓Vin以負極性通過原邊繞組的上半部分,此時上半部分繞組的極性為上正下負,副邊繞組的下半部分為下正上負,D2導通,變壓器通過D2向負載供電。
第二階段:當Q1截止、Q2導通時,輸入電壓Vin以正極性通過原邊繞組的下半部分,在副邊生成的感應電動勢為副邊繞組的上半部分電壓極性為上正下負,D1導通,變壓器通過D1向負載供電。
 
半橋式(Half-Bridge)DC/DC Converter拓撲
 
半橋式拓撲是在推挽式拓撲的基礎上構成的,可以理解為兩個單管正激DC/DC變換器在變壓器原邊側串聯。其基本的拓撲結構如圖3-2所示。
 Half Bridg
半橋式DC/DC變換器的工作原理和推挽式基本相同,功率開關管Q1和Q2由占空比可調的恒定頻率的方波控制,在一個PWM周期內Q1和Q2輪流導通和截止,當開關管Q1導通、Q2截止時,Q1上承受的電壓應力為輸入電壓的一半即Vin/2,此時Q2完全承受了輸入電壓。相反,當Q1截止、Q2導通時,Q1承受著輸入電壓的全部電壓,Q2承受一半的輸出電壓,因此在半橋式DC/DC變換器中開關管承受的電壓應力即為輸入電壓。
 
全橋式(Full-Bridge)DC/DC Converter拓撲
 
如圖3-3所示為全橋拓撲結構(Full-Bridge  DC/DC  Converter),其工作原理與Half-Bridge DC/DC Converter的工作原理完全相同,前后兩個半橋在一個PWM周期內輪流導通和關閉,只是在功率開關管導通時,原邊繞組上施加了全部的輸入電壓,它具備了Half-Bridge DC/DC Converter和Push-pull DC/DC Converter的全部優點,在相同的直流輸入和相同的功率輸出的情況下,Full-Bridge DC/DC Converter變壓器原邊繞組的峰值電流和有效值電流僅為Half-Bridge  DC/DC  Converter的二分之一,在所有DC/DC變換器中全橋變換器的輸出功率最大。
全橋式 
Buck電壓饋電全橋拓撲
 
Buck電壓饋電全橋變換器結構如圖3-4所示。根據以上各節可知:全橋式DC/DC變換器是隔離式DC/DC變換器中功率輸出最大,并且其結構布局比較合理的一種DC/DC變換器,其變壓器磁芯和繞組能被完全利用,但隨著輸出電壓的增大,功率開關管的損耗也逐漸增大,高頻變壓器磁芯內部的磁通不平衡問題逐漸突出,于是在全橋變換器的基礎上形成了一種新型的電路拓撲結構:Buck電壓饋電全橋變換器,它是在全橋變換器前串接了Buck變換器[29]。
 Buck電壓饋電全橋拓撲結構及其控制方式
Buck電流饋電全橋拓撲
Buck電流饋電全橋拓撲結構是在Buck電壓饋電全橋拓撲結構上變化而來的[29],如圖3-6所示。
Buck電流饋電全橋拓撲結構
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