單端反激變換器的工作原理

1單端反激變換器(Flyback Converter)

反激變換器，在開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在變壓器中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉徒o負(fù)載。 (正激變換器正好相反)。

單端反激變換器有Buck-Boost變換器派生而來。 下圖是Buck-Boost變換器的原理圖：

將虛線框中的電感L用隔離變壓器代替，實現(xiàn)輸入和輸出的電氣隔離，即得到下圖所示的單端反激變換器。

反激變換器具有以下幾個特點：

①電路簡單，效率高;

②輸出電壓紋波較大;

③處理功率一般在150W以下，常用于如控制系統(tǒng)所需的輔助電源;

④非常適合小功率多組輸出的場合使用。

它由開關(guān)管T、整流二極管D、電容C和變壓器構(gòu)成的，變壓器有兩個繞組：一次繞組P和二次繞組S，繞組數(shù)分別用N1和N2表示，其同名端標(biāo)示如上圖的"●"所示，兩個繞組要緊密耦合。 開關(guān)管T按照PWM方式工作。

2基本工作原理

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管D截止，這時電源輸入的能量以磁能的形式儲存于變壓器中; 開關(guān)管T關(guān)斷期間，二極管D導(dǎo)通，變壓器中儲存的能量傳輸給負(fù)載。 兩種工作情況如下圖所示：

同樣的，反激變換器也存在三種工作方式：電流連續(xù)、電流斷續(xù)和電流臨界連續(xù)。 這里的電流指的是變壓器原邊或者副邊的電流，我們稱為磁化電流。 電流連續(xù)和電流斷續(xù)的工作波形如下圖：

磁化電流連續(xù)模式

①開關(guān)管T導(dǎo)通時，電源電壓Us加在一次繞組N1上，此時二次繞組N2的感應(yīng)電壓為

uN2=-N2/N1*Us

符號表示上負(fù)下正(副邊同名端為正)，則二極管D1截止，負(fù)載電流由濾波電容C提供。

此時，變壓器的二次繞組開路，只有一次繞組工作，相當(dāng)于一個電感，其電感量為L1，因此一次繞組電流ip從Ipmin開始線性增加，在t=t1時，達(dá)到最大值Ipmax。

Ipmax=Ipmin+Us/L1*DcT

在此過程中，磁芯中的磁通線性增加，由U=NΔΦ/Δt可得磁通增量為

ΔΦ（+）=Us/N1*DcTs

②開關(guān)管T關(guān)斷時，一次繞組開路，二次繞組的感應(yīng)電動勢反向，副邊同名端為負(fù)，使二極管D導(dǎo)通，儲存在變壓器磁場中的能量通過D釋放，一方面給C充電，另一方面向負(fù)載供電，此時變壓器只有二次繞組工作，相當(dāng)于一個電感，其電感量為L2。二次繞組上的電壓為uN2=Uo，二次繞組電流iN從Ismax線性下降;在t=Ts時，達(dá)到最小值Ismin。

Ismin=Ismax-Uo/L2*(1-Dc)Ts

在此過程中，磁芯中的磁通線性減小，其值為

ΔΦ(-)=Uo/N2*(1-Dc)Ts

當(dāng)穩(wěn)態(tài)工作時，T導(dǎo)通時鐵芯磁通Φ的增長量ΔΦ(+)必等于關(guān)斷時的減小量ΔΦ(-)，那么可得

式中，K12=N1/N2是變壓器一次繞組和二次繞組的匝比?？梢姡瑔味朔醇ぷ儞Q器的電壓增益與Buck-Boost變換器相似，不同的是前者多了一個變壓器的變比，這個能夠很直觀的理解。工作在磁化電流連續(xù)狀態(tài)下的反激變換器的輸出電壓與以下因素有關(guān)：隔離變壓器匝比、觸發(fā)脈沖的導(dǎo)通占空比、輸入電壓。

在負(fù)載為零的極端情況下，由于T導(dǎo)通時儲存在變壓器電感中的磁能無處消耗，故輸出電壓會越來越高，最終造成電路元件損壞，所以反激變換器不能在空載下工作。

磁化電流不連續(xù)模式

開關(guān)管T關(guān)斷時間較長，比繞組N2中的電流衰減到0所需的時間更長，則在下一個周期開關(guān)管T導(dǎo)通之前，副邊電流is及變壓器磁通Φ會衰減到0(這里我們忽略剩磁)，下一個周期T導(dǎo)通時，原邊電流ip從0開始線性上升。

電流斷續(xù)時輸出電壓為

可見，電流斷續(xù)時，輸出電壓是輸入電壓、占空比和負(fù)載電流的非線性函數(shù)，只有調(diào)節(jié)占空比，才能保證輸出電壓不變。

磁化電流臨界連續(xù)模式

即開關(guān)管T關(guān)斷時間正好等于二次繞組N2中的電流衰減到0所需的時間。

磁通復(fù)位原則

變壓器磁芯中的磁通在開關(guān)管T導(dǎo)通期間，隨著原邊繞組中的電流增大而增大，在T關(guān)斷期間隨著副邊繞組中的電流減小而減小。 如果在每一個周期結(jié)束時，磁通大于這個周期開始時的大小，則它將隨著周期的重復(fù)而逐漸增加，工作點逐漸上移，使得勵磁電流增大，磁芯飽和，從而導(dǎo)致變壓器工作不正常，造成開關(guān)管的損壞。 因此在每個周期結(jié)束時，變壓器磁芯中的磁通必須回到原來的位置，這就是所說的磁通復(fù)位原則。

單端反激變換器不需要專門的去磁繞組，電路簡單。 而我們之前所說的單端正激變換器則需要去磁繞組或者改變變換器結(jié)構(gòu)來達(dá)到去磁的目的。

目前，我們常見的基本都是反激式的DC-DC變換器，關(guān)于它的設(shè)計，很多細(xì)節(jié)的東西需要考慮到，也許我們后期會慢慢地聊一聊。 今天主要還是簡單的介紹。