【想法记录】开关电源对偶拓扑——电流变换拓扑
前言
开关电源有三个最为基本的拓扑结构：buck、boost和buck-boost，它们三个均属于电压变换拓扑，进行电压（Voltage）变换。因为生活中常使用电压源，所以电压变换应用非常广泛。但世界上众多事物存在对偶的，有电压源就有电流源，所以有电压变换拓扑就有电流变换拓扑。电流变换拓扑需接入电流源，并进行电流（Current）变换。在此想法下，我设计（推导）出了三个拓扑电路，并且它们均与电压变换拓扑对偶。
对偶电路首先就是电容和电感互换；同时在连接方式中，串联和并联需要互换；开关中，闭路和开路互换。在电压变换拓扑中的关键元件是电感，在稳态时需满足伏秒平衡。同理得在电流变换拓扑中的关键元件是电容，在稳态时需满足安秒平衡。根据这些规则即可推出以下电路。
1、buck降流拓扑
第一眼看过去是有点反直觉的，毕竟开关处于闭合状态，回路处于短路态。这是因为输入端是电流源，而电流源被短路时输出功率为零（与电压源开路对偶），所以开关是处于常闭状态，当开关打开时传输功率。
PS：关于电流源可观看我的视频：https://www.bilibili.com/video/BV1zL4y1G7mk
其工作过程可简述为：当开关打开时，输入电流必须换路并通过二极管，并在输出滤波电感处流走一部分电流至负载。因为输出电感电流不能突变，于是多余的电流将进入电容存储起来，电容电压升高。当开关闭合时，输入电流全被开关分走，不再往输出端传送能量，并且二极管阻止电流回流，电容电流只能通过输出电感。在开关闭合的时间内电容把刚刚存储的电荷（升高的电压）释放并用以供给负载。
设开关打开时间为ton，开关闭合时间为toff（与电压拓扑正好相反），则占空比D=ton/toff。根据电容的安秒平衡，即可推出降流拓扑输入电流、输出电流和占空比的关系式，它与电压拓扑形式如出一辙：
2、boost升流拓扑
升流拓扑在初始状态看上去并没有回路，其实是回路在负载。升流拓扑有个“毛病”在于即使开关不工作，输入电流也必须经过输出端，全部通过负载以形成回路。也就是说负载端一开始就有电流并且严禁开路。其实反观电压拓扑也会发现对偶的要求：即使开关不工作，输出端就具有输入电压，并且负载严禁短路。
当开关打开时，输入电流原回路被切断，电流只能通过电容，电容开始积聚电荷，电压升高。但这个时间不能太久，因为电容电压升高是无限制的（理论上）（同理，电压拓扑开关也不能长时间闭合，因为电流升高无限制）。与此同时，输出端电流完全靠输出滤波电感维持，并通过二极管形成回路。当开关闭合后，输入电流和电容电流两者一起叠加注向输出端，导致输出端电流比输入端高，完成升流过程。
同样根据安秒平衡，可推导出升流拓扑的传递函数：
3、buck-boost升降流拓扑（反激拓扑）
该拓扑中，二极管的方向看起来有点不太对劲，这是因为该拓扑的输出电流方向是反向的，所以也称为反激拓扑。电容横跨在输入输出端之间，使得纯直流成分不能直接传送到对面。
在开关打开期间，输入电流需通过电容后，经过二极管返回。或许有人好奇电流为什么不经过负载，那是因为负载电流是反向的，无法通过滤波电感。这时候负载电流完全靠输出滤波电感维持，并通过二极管返回负载。也就是说二极管需要承受输入电流和输出电流两者的叠加和（在电压拓扑中，二极管需要承受两者的电压叠加）。开关闭合时，输入电流被开关导走，此时电容开始反攻，电容在开关打开期间充入电荷引起升起的电压，开始施加向负载，这时候电容放电回路电流方向是和输入电流方向反向的，这也是负载端电流方向反向的原因。此时开关需要承受输入和输出电流的和，与二极管一样（也与电压拓扑类似，开关需要承受两者的电压叠加）。
根据电容安秒平衡，可推导出升降流拓扑的传递函数：
规律总结
在电压变换拓扑中有一个关键节点称为SW（Switch）节点，这个节点电压在开关和电感的作用下反复上下跳变，因此电感必有一端与其连接。电感的另一端分别与输出、输入、地连接，便依次形成了buck、boost、buck-boost三种电压变换拓扑。一样的在电流变换拓扑中，有一个关键回路称为SW回路，这个回路电流在开关和电容作用下反复换向（如果有一个磁针，就能测到该回路的磁场在反复North-South切换），因此电容必然在此回路中。电容依次跨在输出--地、输入--地、输出--输入，同样形成了buck、boost、buck-boost三种电流变换拓扑。
关于实用性，因为生活中使用电流源作为输入的应用情况很少，即使有电流源输入更多是作为信号而不是作为功率，所以这三种电路当前应用还是受限的，除非哪天技术发展突然有这个需求，然后就用到了呢？留个底也不是个坏事。
by HD-nuke8800
2022/10/22
