反激變換器（Flyback Converter），也稱為反激式轉(zhuǎn)換器或反激式變換器，是一種廣泛應(yīng)用于交流直流（AC/DC）和直流直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換的電力電子器件。它在輸入級和輸出級之間提供絕緣隔離，是開關(guān)電源的一種重要形式。反激變換器以其結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣而著稱，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、筆記本電腦、USB充電器以及顯像管的高壓電源等領(lǐng)域。以下將詳細(xì)介紹反激變換器的定義、結(jié)構(gòu)及其工作原理。

一、反激變換器的定義

反激變換器是一種通過開關(guān)管控制變壓器儲能和釋放能量的電力電子變換器。在開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器儲能；在開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器釋放能量至負(fù)載。由于變壓器在能量釋放時具有反向電流的特性，故得名“反激”。此外，反激變換器也被稱為隔離式升降壓變換器，因為它能夠在調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電壓的同時，最大限度地減少電磁干擾（EMI）。

二、反激變換器的結(jié)構(gòu)

反激變換器的核心部件包括開關(guān)管（如MOSFET）、變壓器、二極管和電容等。這些部件通過特定的電路連接方式構(gòu)成反激變換器的整體結(jié)構(gòu)。以下是反激變換器各主要部件的詳細(xì)說明：

1. 開關(guān)管 ：
   • 作用 ：作為反激變換器的控制元件，通過其導(dǎo)通和關(guān)斷來控制變壓器的工作狀態(tài)。
   • 類型 ：常用的是MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），因其具有高速開關(guān)能力和低導(dǎo)通電阻而廣受歡迎。
   • 控制方式 ：通常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間（占空比），從而調(diào)節(jié)輸出電壓。
2. 變壓器 ：
   • 作用 ：在開關(guān)管導(dǎo)通時儲存能量，在開關(guān)管關(guān)斷時釋放能量至負(fù)載。反激變換器中的變壓器具有特殊的儲能電感作用，因此也被稱為儲能變壓器。
   • 結(jié)構(gòu) ：由初級線圈（Primary Coil）和次級線圈（Secondary Coil）組成，兩者通過磁芯耦合。為防止磁心飽和，變壓器磁心常加氣隙以降低導(dǎo)磁率。
   • 工作原理 ：在開關(guān)管導(dǎo)通期間，初級線圈中的電流增加，磁芯中的磁場增強并儲存能量；在開關(guān)管關(guān)斷期間，磁場開始下降并在次級線圈上感應(yīng)出電壓，通過二極管整流后向負(fù)載供電。
3. 二極管 ：
   • 作用 ：在開關(guān)管關(guān)斷時作為整流元件，將變壓器次級線圈產(chǎn)生的交流電壓整流為直流電壓供給負(fù)載。
   • 類型 ：常用的是快速恢復(fù)二極管或肖特基二極管，因其具有快速開關(guān)能力和低正向壓降而適用于高頻開關(guān)電源。
4. 電容 ：
   • 作用 ：在輸出端濾除電壓波動和噪聲，提供穩(wěn)定的直流輸出電壓。同時，在開關(guān)管導(dǎo)通期間向負(fù)載提供電壓和電流。
   • 類型 ：根據(jù)輸出電壓和負(fù)載電流的需求選擇合適的電容值和類型。

三、反激變換器的工作原理

反激變換器的工作原理可以分為兩個主要階段：開關(guān)閉合階段和開關(guān)斷開階段。

1. 開關(guān)閉合階段 ：
   • 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器的初級線圈直接連接在輸入電壓上，初級線圈中的電流和變壓器磁芯中的磁場增加，磁芯中儲存能量。
   • 在次級線圈中產(chǎn)生的電壓是反向的，使得二極管處于反偏狀態(tài)而不能導(dǎo)通。此時，由電容向負(fù)載提供電壓和電流。
2. 開關(guān)斷開階段 ：
   • 當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，初級線圈中的電流為0，同時磁芯中的磁場開始下降。
   • 在次級線圈上感應(yīng)出正向電壓，此時二極管處于正偏狀態(tài)并導(dǎo)通，導(dǎo)通的電流流入電容和負(fù)載。磁芯中存儲的能量轉(zhuǎn)移至電容和負(fù)載中。

反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示：

S導(dǎo)通(開關(guān)管導(dǎo)通)時：

• 電流由輸入電壓端流經(jīng)變壓器原邊線圈與開關(guān)形成電流回路。此時變壓器原邊線圈兩端壓降為Vi
• 副邊線圈兩端感應(yīng)電壓Vi/n，因回路上二極管不導(dǎo)通，副邊回路上無電流
• 變壓器原邊線圈因電流流過而產(chǎn)生磁力線于變壓器鐵芯內(nèi)，其數(shù)量會隨流通電流的時間增加而增加
• 因副邊線圈無電流流通，原邊電流增加使得原邊能量累積于原邊線圈中，直到開關(guān)斷開為止
  S關(guān)斷(開關(guān)管關(guān)斷)時：
• 原邊線圈兩端電壓因磁力線累積儲存在變壓器鐵芯內(nèi)，因而產(chǎn)生反電勢
• 原邊線圈兩端反電勢由鐵芯內(nèi)累積的磁力線，使得副邊線圈兩端電壓產(chǎn)生相對感應(yīng)電勢
• 二極管導(dǎo)通(理想二極管)，副邊線圈兩端電壓為Vo，原邊線圈兩端電壓為Vo*n
• 電流 由副邊線圈開始經(jīng)二極管與輸出電容形成回路，并將變壓器的能量釋放，直到下一次開關(guān)導(dǎo)通為止

四、反激變換器的工作模式

反激變換器可以在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）或斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下運行。

• 連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM） ：在CCM模式下，開關(guān)管在電感完全放電之前從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，從而防止電感電流降至零。這種模式具有恒定電流特性，適用于負(fù)載變化較大的應(yīng)用場合，因為它能提供更穩(wěn)定的輸出電壓。
• 斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM） ：在DCM模式下，能量被完全釋放到負(fù)載中，意味著有一段時間電感電流為零。當(dāng)電感電流為零時，二極管和開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。這種模式在輕載條件下具有較高的瞬態(tài)響應(yīng)速度和效率，因為當(dāng)副邊二極管在關(guān)斷期間具有零電流開關(guān)（ZCS）時，可以顯著降低開關(guān)器件的功耗。

五、反激變換器PWM的電壓控制與電流控制

1、電壓控制型PWM原理

電壓控制模式只有一個電壓環(huán)，設(shè)計起來相對比較容易，其產(chǎn)生PWM波的原理相對來說比其它的控制模式要簡單一些。電壓型控制的最大特點就是誤差信號被輸入到PWM比較器，與震蕩器產(chǎn)生的三角波進行比較。電壓誤差信號升高或降低使輸出信號的脈寬增大或減小。

電壓控制型PWM原理如圖所示。反饋電壓Vo'輸入誤差放大器的反向端與基準(zhǔn)電壓Vref進行比較，產(chǎn)生一個誤差電壓VE，作用于PWM比較器，與控制芯片內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的幅值固定的鋸齒波Vr進行比較產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號，控制功率開關(guān)管S。它的自動穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的實現(xiàn)完全是靠反饋即誤差放大器來實現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載電流減小或直流輸入電壓升高時，都會引起輸出電壓的升高，這時系統(tǒng)的反饋電壓增大，控制信號減小，使得輸出的脈寬變窄，從而使得輸出電壓降低，反之亦然。

2、電流控制型PWM原理

電流控制型開關(guān)電源是針對電壓控制型的缺點應(yīng)運而生的。所謂電流控制型，就是在脈寬比較器的輸入端將電流采樣信號與誤差放大器的輸出信號進行比較，以此來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化。電流型PWM除保留了電壓控制的輸出電壓反饋控制部分外,又增加了一個電流反饋環(huán)節(jié)，是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。與電壓控制型開關(guān)電源比較,電流控制型開關(guān)電源具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性會有明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力使控制電路簡單可靠，是開關(guān)電源較為理想的工作方式。

圖為電流型控制PWM原理圖，由圖可知，時鐘信號使PWM鎖存器置位，開關(guān)管導(dǎo)通。其中有兩個控制環(huán)路。第一是從輸出電壓取樣，并反饋至誤差放大器，與基準(zhǔn)電壓Vref比較后產(chǎn)生誤差電壓VE。第二是利用開關(guān)管S漏極串聯(lián)的取樣電阻Rs，將開關(guān)變壓器初級的電流Ii變換為相應(yīng)的電壓值Vs，并反饋至電流比較器，與誤差電壓比較后產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號，使PWM鎖存器復(fù)位，開關(guān)管截止。

六、反激變換器的設(shè)計考慮

在設(shè)計反激變換器時，需要考慮多個因素以確保其性能、效率和可靠性。以下是一些關(guān)鍵的設(shè)計考慮因素：

1. 變壓器設(shè)計 ：
   • 匝數(shù)比 ：初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比決定了電壓的變換比例。根據(jù)輸入輸出電壓需求，合理選擇匝數(shù)比。
   • 磁芯選擇 ：磁芯的材料、尺寸和氣隙會影響變壓器的電感量和儲能能力。通常選擇高磁導(dǎo)率、低損耗的材料，并根據(jù)功率和電壓等級確定磁芯尺寸。
   • 線圈設(shè)計 ：線圈的導(dǎo)線直徑、絕緣層厚度和繞制方式會影響電流密度、電阻和散熱性能。需要綜合考慮這些因素以優(yōu)化線圈設(shè)計。
2. 開關(guān)管選擇 ：
   • 額定電壓和電流 ：選擇開關(guān)管時，需確保其額定電壓和電流高于實際工作條件中的最大值，以保證安全裕量。
   • 開關(guān)速度 ：高速開關(guān)管可以減少開關(guān)損耗和電磁干擾。
   • 熱管理 ：考慮開關(guān)管在工作過程中的散熱需求，選擇適當(dāng)?shù)纳崞骰蛏崞?/li>
3. 二極管選擇 ：
   • 反向電壓 ：二極管的反向電壓應(yīng)高于變壓器次級線圈在開關(guān)管關(guān)斷時產(chǎn)生的峰值電壓。
   • 正向壓降 ：低正向壓降的二極管可以減少能量損失。
   • 恢復(fù)時間 ：快速恢復(fù)二極管可以減少開關(guān)管關(guān)斷后的反向恢復(fù)電流，提高系統(tǒng)效率。
4. 反饋與控制 ：
   • 電壓反饋 ：通過采樣輸出電壓并與參考電壓比較，生成控制信號來調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。
   • 電流保護 ：加入過流保護電路，以防止在短路或過載情況下?lián)p壞開關(guān)管和變壓器。
   • 軟啟動 ：在啟動過程中逐漸增加占空比，避免啟動電流過大對電路造成沖擊。
5. 電磁兼容性（EMC） ：
   • 濾波 ：在輸入輸出端加入適當(dāng)?shù)?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器，以減少電磁干擾對電網(wǎng)和其他設(shè)備的影響。
   • 布局與布線 ：合理的PCB布局和布線可以減少電磁輻射和耦合干擾。
   • 屏蔽 ：使用金屬屏蔽罩或?qū)щ娡苛系确椒ǎ瑢﹃P(guān)鍵部件進行電磁屏蔽。
6. 效率與損耗 ：
   • 開關(guān)損耗 ：包括開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。選擇低損耗的開關(guān)管和合適的驅(qū)動電路可以降低開關(guān)損耗。
   • 導(dǎo)通損耗 ：變壓器線圈和二極管的正向?qū)娮钑a(chǎn)生導(dǎo)通損耗。優(yōu)化線圈設(shè)計和選擇低正向壓降的二極管可以減少導(dǎo)通損耗。
   • 散熱 ：合理設(shè)計散熱系統(tǒng)，確保開關(guān)管和變壓器等關(guān)鍵部件在工作過程中不會過熱。

七、應(yīng)用實例

反激變換器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和易于實現(xiàn)隔離功能等優(yōu)點，在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以下是一些典型的應(yīng)用實例：

1. 電源適配器 ：為筆記本電腦、手機等便攜式設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電源。
2. LED驅(qū)動電源 ：用于驅(qū)動LED照明燈具，實現(xiàn)高效、節(jié)能的照明效果。
3. 打印機電源 ：為打印機提供穩(wěn)定的直流電源，滿足其高電壓、大電流的需求。
4. 醫(yī)療設(shè)備電源 ：為醫(yī)療設(shè)備提供隔離、穩(wěn)定的直流電源，確保設(shè)備的安全性和可靠性。
5. 工業(yè)自動化控制 ：在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，為各種傳感器和執(zhí)行器提供隔離的電源供應(yīng)。

八、總結(jié)

反激變換器作為一種重要的電力電子變換器，在多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、功能多樣，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。在設(shè)計反激變換器時，需要綜合考慮變壓器、開關(guān)管、二極管等關(guān)鍵部件的選擇與優(yōu)化設(shè)計，以及電磁兼容性、效率和損耗等關(guān)鍵因素。通過合理的設(shè)計和優(yōu)化的控制策略，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、可靠的電源供應(yīng)系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，反激變換器將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。