硬件学习笔记--76 开关电源隔离型拓扑结构介绍
隔离型拓扑结构在开关电源中通过变压器实现输入与输出的电气隔离，确保安全并支持多路输出或高电压转换。以下是常见的隔离型拓扑及其详细差异分析：
1. 反激式（Flyback）
1.1 工作原理
能量存储与释放：开关管导通时，变压器初级储能（次级二极管截止）；关断时，次级释放能量。
等效模型：耦合电感（变压器兼储能电感）。
1.2 特点
优点：
结构简单（单开关管），成本低。
天然支持多路输出（通过次级多绕组）。
适合宽输入电压范围（如AC-DC适配器）。
缺点：
变压器需设计气隙（防磁饱和），漏感导致效率较低（通常<85%）。
输出纹波大（需大电容滤波）。
1.3 应用
小功率电源（<100W）：手机充电器、LED驱动、家电辅助电源。
2. 正激式（Forward）
2.1 工作原理
直接能量传递：开关管导通时，能量通过变压器直接传递到次级（与反激相反）。
磁复位需求：需附加电路（如复位绕组、RCD钳位或主动钳位）复位变压器磁芯。
2.2 特点
优点：
效率较高（>90%），功率密度大。
输出纹波小（电感滤波，能量连续传递）。
缺点：
需磁复位电路，复杂度高于反激。
单管正激功率受限（通常<300W）。
2.3 应用
中功率电源（100W~500W）：工业电源、通信设备、PC电源辅助输出。
3. 推挽式（Push-Pull）
3.1 工作原理
双开关交替导通：两开关管轮流驱动变压器初级，次级全波整流。
中心抽头变压器：初级对称绕组，避免直流偏磁。
3.2 特点
优点：
高频变压器利用率高（双向励磁）。
输出功率大（可达千瓦级）。
缺点：
需精确对称驱动（否则磁偏置损坏开关管）。
开关管承受2倍输入电压应力。
3.3 应用
中高功率DC-DC转换：车载逆变器、太阳能发电系统。
4. 半桥式（Half-Bridge）
4.1 工作原理
电容分压+双管交替：两开关管串联，中点接变压器初级，电容分压提供对称电压。
自平衡特性：电容自动平衡电压，降低偏磁风险。
4.2 特点
优点：
开关管电压应力为输入电压（低于推挽）。
适合高压输入（如PFC后级）。
缺点：
需两个高压电容，体积较大。
变压器利用率略低于全桥。
4.3 应用
中大功率AC-DC电源（200W~1kW）：服务器电源、焊接设备。
5. 全桥式（Full-Bridge）
5.1 工作原理
四开关管桥式驱动：对角开关管交替导通，变压器初级承受全输入电压。
全波整流：次级可用全桥或中心抽头整流。
5.2 特点
优点：
功率密度极高（>1kW），效率>95%。
开关管电压应力等于输入电压（与半桥相同）。
缺点：
控制复杂（需防止直通），成本高。
需4个开关管及驱动电路。
5.3 应用
大功率工业电源：电解电镀、数据中心电源、医疗设备。
6. LLC谐振半桥（LLC Resonant Half-Bridge）
6.1 工作原理
谐振软开关：利用谐振电感（Lr）、变压器励磁电感（Lm）和电容（Cr）实现ZVS/ZCS。
变频控制：调节开关频率调整输出电压。
6.2 特点
优点：
高频高效（>96%），EMI噪声低。
宽输入电压范围适应性。
缺点：
参数设计复杂（需匹配谐振点）。
轻载可能退出谐振模式。
6.3 应用
高效电源：高端PC电源、电视电源、新能源充电桩。
7. 拓扑对比表
| 拓扑 | 开关管数量 | 变压器应力 | 效率 | 功率范围 | 关键差异点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 反激 | 1 | 高（漏感） | <85% | <100W | 单管，储能式，纹波大 |
| 正激 | 1 | 中 | 90% | 100-500W | 需磁复位，能量直接传递 |
| 推挽 | 2 | 高（2×Vin） | 92% | 500W-2kW | 双管对称驱动，易偏磁 |
| 半桥 | 2 | Vin | 93% | 200W-1kW | 电容分压，自平衡 |
| 全桥 | 4 | Vin | >95% | >1kW | 高功率密度，控制复杂 |
| LLC半桥 | 2 | Vin | >96% | 200W-2kW | 谐振软开关，高频高效 |
8. 选型建议
小功率低成本：反激式（Flyback）。
中功率低纹波：正激式（Forward）或LLC半桥。
大功率高可靠性：全桥或LLC谐振。
高压输入：半桥/全桥（降低开关管应力）。
每种拓扑的磁元件设计（如变压器气隙、谐振参数）和开关管选型（如MOSFET/IGBT）需结合具体需求优化。