3、电源转换器的种类（TYPES OF POWER CONVERTERS）
3.0各类转换器定义与原理(DEFINITIONS AND DIMENSIONING)
虽然有很多作者与研究人员创造研究出很多种类的转换器电路，但是追根究底还是可归纳出三种最基本的电路出来，第一种称为“返驰式(flyback)”或者称为“buck-boost”型式，第二种称为“顺向式(forward)”或者称为“buck”型式，第三种称为“推挽式(push-pull)”或是称为“buck-derived”型式，在图3-1中，就是返驰式转换器的基本电路模型，其操作原理说明如下。
在图3-1 (a)中，当电路中的开关S关闭时，电流就会流经电感器L，并将能量储存于其中，由于电压极性的关系，二极体D是在逆向偏压状态，此时负载电阻RL上就没有电压输出，当开关S打开时，如图图3-1(b)所示，此时由于磁场的消失，电感器L呈逆向极性，二极体D为顺向偏压，环路中则有IC感应电流产生，因此负载RL上的输出电压其极性正好与输入电压相反，由于开关ON/OFF的作用，使得电感器的电流交替地在输入与输出间，连续不断的改变其方向，不过这二者电流都是属于脉动电流形式，所以在buck-boost转换器电路中，当开关是在导通周期时，能量是储存于电感器里，反之，当开关是在打开(OFF)周期时，能量会转移至负载上。
在图3-2为顺向转换器基本电路型式，其操作原理说明如下，当开关S关闭时，电流就会顺向地流经电感器L，此时在负载上就会有带极性的输出电压产生，如图3-2(a)所示，由于输入电压极性的关系，二极体D此时是在逆向偏压状态。如图3-2(b)所示，当开关S打开时，电感器L会改变磁场，二极体D则为顺向偏压状态，因此在电容器C中就会有电流流过，因此在负载RL上输出电压的极性仍是相同的，一般我们称此二极体D为“自由转轮(free-wheeling)”或“飞轮(flywheel)”二极体。
由于此种转换动作，使得输出电源是一种连续形式而非脉动电流形式，相对的由于开关S在ON/OFF之间改变，所以输入电流则为不连续形式，也就是所谓的脉动电流形式。
最后在图3-3中则为推挽式转换器的基本电路型式，其实它是由二个顺向转换器的电路所组成，操作于互相推挽的动作状态，开关S1与S2互相在ON/OFF状态间互相交换，此种电路一般也称之为buck-derived。
3.1隔离返驰式转换器(THE ISOLATED FLYBACK CONVERTER)
在图3-1中的返驰式转换器，其输入与输出间，并没有安全的隔离装置，一般在转换式电源供给器里常用的隔离组件是变压器(transformer)。更正确的来说，虽然在电路图中出现是变压器形式，但是其动作状态却是扼流圈(choke)形式，因此我们亦可直呼为变压器-扼流圈(transformer-choke)。
在图3-4所示的电路为隔离返驰式转换器(isolated flyback converter)与其稳态的电路波形。电路的操作原理如下说明，当电晶体Q1导通时，变压器的初级绕组渐渐地会有初级电流流过，并将能量储存于其中，由于变压器-扼流圈的输入与输出绕组，其极性是相反的，因此二极体被逆向偏压，此时没有能量转移至负载。
当电晶体不导通时，由于磁场的消失导致绕组的极性反向，此时二极体D会被导通，输出电容器C会被充电，负载RL上有IL电流流过。
由于此种隔离组件的动作就像是变压器与扼流圈，因此在返驰式转换器输出部分，就不需要额外的电感器了，但是在实际电路应用中，为了抑制高频的转换杂讯波尖，我们还是会在整流器与输出电容器之间加装小型的电感器。
3.1.1返驰式转换器交换电晶体(The Flyback Converter Switching Transistor)
在返驰式转换器中所使用的转换电晶体，必须考虑二个因素就是电晶体在OFF时的峰值集极电压大小与电晶体转换成ON时的峰值集极电流大小。此峰值集极电压乃电晶体在转换成OFF状态时，所需要承受的电压大小
(3-1)
在此Vin为直流输入电压，δmax为最大工作周期。
因此公式3-1，就是告诉我们选择使用转换电晶体时，为了避免其受损坏，必须考虑的集极电压值大小。因此相对地工作周期就必须保持在低值范围，也就是δmax<0.5，在实际的应用中，大都是取δmax为0.4，如此峰值集极电压就限制在VCE.max≤2.2 Vin，所以非线上的返驰式转换器设计，其电晶体一般我们选择能有800V左右的工作电压即可。
另一项要设计选择的就是电晶体在ON时的集极工作电流，也就是
(3-2)
在此IL为变压器-扼流圈的初级峰值电流，n是初级对次级的圈数比。
我们亦可用转换器的输出功率与输入电压，来表示集极的峰值工作电流，其公式导出如下，在扼流圈中能量转移的公式可表示如下式
(3-3)
在此η(eta)为转换器的效率。
在变压器-电感器的电压可表示成
(3-4)
如果我们假设di＝IL，而且1/dt＝f /δmax，则公式3-4可重写为
(3-5)
或是 (3-6)
将公式3-6代入公式3-3中，我们可得到
求解上式可得 (3-7)
现在，再将公式3-7代入公式3-2中，就可得到电晶体的工作电流可用输出功率与输入电压来表示
(3-8)
在此假设转换器的效率为0.8(80%)，工作周期为δmax＝0.4(40%)，则公式3-8可简化为
(3-9)
3.1.2返驰式转换器变压器－－扼流圈(The Flyback Converter Transformer-Choke)
由于返驰式转换器的变压器－－扼流圈，其仅在B-H特性曲线的单一方向来做转换运动，因此在设计变压器－－扼流圈时，不可设计于饱和工作状态，在第五章我们会有较详细的分析与设计。毫无疑问的所使用的铁心(core)，需有较大的体积并且有空气间隙(air gap)。
有效的变压器－－扼流圈的体积大小为
(3-10)
在此 IL.max：由负载电流所决定
μe：铁心材料的相对导磁率(permeability)
Bmax：铁心的最大磁通密度
我们在选择相对导磁率时，必须选择足够大，以避免铁心会有温度升高的情形发生，也由于对铁心与绕线尺寸大小的限制，因此会产生钢损失与铁心损失(copper and core losses)。
3.1.3基本返驰式转换器的变压型式(Variations of the Basic Flyback Converter)
当我们提到基本的返驰式电路时，转换电晶体在转换成不导通(turn-off)状态时，其集极电压必须承受至少二倍的输入电压。因此对商业上使用图3-5的电路，它是由二个电晶体所组成的返驰式转换器电路。此二个电晶体在ON或OFF状态时，会同时一起作用，二极体D1与D2的动作就如定位二极体(clamping diodes)能够限制电晶体的最大集极电压至Vin值，因此在选用电晶体时，就可采用耐集极电压值低的电晶体，但是线路就必须额外使用Q2，D1，D2这三个组件了。
使用返驰式电路的优点就是非常简单，因此对转换式电源供给器来说，它可达到多重输出的目的，此乃隔离组件对所有的输出，其动作状态就如一个共有的扼流圈。因此对每一个输出部份，仅需用到二极体与电容器即可，图3-6，就是一个实际的电路。
3.2隔离顺向式转换器(THE ISOLATED FORWARD CONVERTER)
乍看之下，隔离顺向式转换器(isolated forward converter)的电路与返驰式转换器的电路，似乎有几分相似，但是实际研究它，此二电路之间在原理操作上还是有明显的不同，在图3-7所示，就是基本的顺向式转换器电路，与电路波形。
由于顺向式转换器中所使用的隔离组件，乃是一个真正的变压器，因此为了获取正确有效的能量转移，必须在输出端有电感器，做为次级感应的能量储存组件。而变压器的初级绕组与次级绕组(primary and secondary windings)有相同之极性，如图中所示的圆圈符号，此电路的操作原理如下：当电晶体Q1于ON的状态时，初级绕组渐渐会有电流流过，并将能量储存于其中，由于变压器次级绕组有相同的极性，此能量就会顺向转移至输出，且同时经由顺向偏压二极体D2，储存于电感器L中，此时的二极体D3为逆向偏压状态。当电晶体Q1转换成OFF状态时，变压器的绕组电压会反向，D2二极体此时就处于偏压的状况，此时飞轮二极体(flywheel diode) D3则为顺向偏压，在输出回路上有导通电流流过，并经由电感器L，将能量传导至负载上。
