反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理和電路分析

什么是反激式轉(zhuǎn)換器？

反激式轉(zhuǎn)換器（Flyback Converter）是一種特殊的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，用于將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。它廣泛應(yīng)用于交流直流（AC/DC）和直流直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換，并在輸入級和輸出級之間提供絕緣隔離。反激式轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)包括輸入電源、變壓器、開關(guān)器件（如MOSFET或BJT）、整流二極管和輸出濾波電容。

反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理包括儲能過程和釋能過程。在儲能過程中，開關(guān)器件導(dǎo)通，電流從輸入電源流經(jīng)變壓器的初級繞組，能量被儲存在變壓器的磁場中。在釋能過程中，當開關(guān)器件截止時，變壓器中的磁場崩潰，通過互感作用將能量傳遞給次級繞組。這個過程中產(chǎn)生的電壓經(jīng)過整流二極管后充電到輸出濾波電容，以供應(yīng)負載。通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通時間和截止時間，可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

反激式轉(zhuǎn)換器具有一些優(yōu)點，如簡單緊湊、高效率、多電平輸出和良好的隔離性。然而，它也存在一些缺點，如輸出電壓在負載變化時可能存在波動、可能產(chǎn)生電磁干擾、會產(chǎn)生間歇性的輸入電流脈沖，并且設(shè)計復(fù)雜度較高。

總的來說，反激式轉(zhuǎn)換器是一種將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需輸出電壓的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

1、開關(guān)導(dǎo)通時反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)打開時的反激式轉(zhuǎn)換器

開關(guān)對于反激式轉(zhuǎn)換器的工作方式確實起著重要作用。當開關(guān)導(dǎo)通時，電流將從 Vin 流向初級地。這將為初級繞組充電并存儲能量。在此期間，由于二極管反向偏置，次級繞組沒有電流流動。此時的負載需求由輸出電容（Cout）供給。

開關(guān)導(dǎo)通時的反激式轉(zhuǎn)換器電流

2、開關(guān)關(guān)閉時反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)關(guān)閉時的反激式轉(zhuǎn)換器

當初級開關(guān)關(guān)斷時，初級繞組將抵抗電流的突然變化并反轉(zhuǎn)繞組的極性。這將導(dǎo)致輸出二極管的正向偏置。初級中存儲的能量將通過二極管傳輸至次級并傳輸至負載。在此期間，輸出電容器將補充電荷。

開關(guān)關(guān)閉時的反激式轉(zhuǎn)換器電流

反激式轉(zhuǎn)換器的電路分析

如果我們看到如下圖所示的基本單輸出反激式設(shè)計，我們將確定構(gòu)建該設(shè)計所需的基本主要組件。基本的反激式轉(zhuǎn)換器需要一個開關(guān)，可以是 FET 或晶體管、變壓器、輸出二極管、電容器。最主要的是變壓器，變壓器至少由兩個電感器組成，稱為次級線圈和初級線圈，纏繞在線圈架中，中間有磁芯。磁芯決定磁通密度，磁通密度是將電能從一個繞組傳輸?shù)搅硪粋€繞組的重要參數(shù)。另一個最重要的事情是 變壓器的相位 ，即初級和次級繞組中顯示的點。

此外，正如我們所看到的，PWM 信號連接在晶體管開關(guān)上。這是由于開關(guān)關(guān)閉和打開時間的頻率造成的。在反激式調(diào)節(jié)器中，有兩種電路操作，一種是變壓器初級繞組充電時的 接通階段 ，另一種是當電能從初級轉(zhuǎn)移到次級時的 關(guān)閉或變壓器的轉(zhuǎn)移階段 ，終于到了負載。

如果我們假設(shè)開關(guān)已關(guān)閉很長時間，則電路中的電流為0并且不存在電壓。在這種情況下， 如果開關(guān)打開，則電流將增加，并且電感器將產(chǎn)生電壓降，該電壓降是點負的，因為初級點端上的電壓更負。在這種情況下，由于磁芯中產(chǎn)生的磁通，能量流向次級。在次級線圈上，會產(chǎn)生相同極性的電壓，但該電壓與次級線圈與初級線圈匝數(shù)比成正比。由于點負電壓，二極管關(guān)閉，次級不會有電流流動。如果電容器在前一個開關(guān)關(guān)閉-開啟周期中充電，則輸出電容器將僅向負載提供輸出電流。

在下一階段， 當開關(guān)關(guān)閉時 ，流過初級的電流會減少，從而使次級點端變得更加積極。與之前的開關(guān)導(dǎo)通階段相同，初級電壓極性也會在次級上產(chǎn)生相同的極性，而次級電壓與初級和次級繞組比成正比。由于點正極，二極管導(dǎo)通，變壓器的次級電感向輸出電容器和負載提供電流。電容器在導(dǎo)通周期中失去電荷，現(xiàn)在再次重新充滿，并且能夠在開關(guān)導(dǎo)通期間向負載提供充電電流。

在整個開關(guān)打開和關(guān)閉周期中，輸入電源與輸出電源之間不存在電氣連接。因此，變壓器隔離輸入和輸出。根據(jù)開關(guān)時間的不同，有兩種操作模式。反激式轉(zhuǎn)換器可以工作在連續(xù)模式或斷續(xù)模式。在連續(xù)模式下，在初級充電之前，電流變?yōu)榱?，重?fù)循環(huán)。另一方面，在斷續(xù)模式下，下一個周期僅在初級電感器電流變?yōu)榱銜r開始。