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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在變壓器中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)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(lái)。 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(shí)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(gè)特點(diǎn)：

①電路簡(jiǎn)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(chǎng)合使用。

它由開(kāi)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(gè)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(gè)繞組要緊密耦合。 開(kāi)關(guān)管T按照PWM方式工作。

2基本工作原理

當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，這時(shí)電源輸入的能量以磁能的形式儲(chǔ)存于變壓器中; 開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷期間，二極管D導(dǎo)通，變壓器中儲(chǔ)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(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Us加在一次繞組N1上，此時(shí)二次繞組N2的感應(yīng)電壓為

uN2=-N2/N1*Us

符號(hào)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(shí)，變壓器的二次繞組開(kāi)路，只有一次繞組工作，相當(dāng)于一個(gè)電感，其電感量為L(zhǎng)1，因此一次繞組電流ip從Ipmin開(kāi)始線性增加，在t=t1時(shí)，達(dá)到最大值Ipmax。

Ipmax=Ipmin+Us/L1*DcT

在此過(guò)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(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，一次繞組開(kāi)路，二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，副邊同名端為負(fù)，使二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器磁場(chǎng)中的能量通過(guò)D釋放，一方面給C充電，另一方面向負(fù)載供電，此時(shí)變壓器只有二次繞組工作，相當(dāng)于一個(gè)電感，其電感量為L(zhǎng)2。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(shí)，達(dá)到最小值Ismin。

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

在此過(guò)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(shí)，T導(dǎo)通時(shí)鐵芯磁通Φ的增長(zhǎng)量ΔΦ(+)必等于關(guān)斷時(shí)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?jiàn)，單端反激變換器的電壓增益與Buck-Boost變換器相似，不同的是前者多了一個(gè)變壓器的變比，這個(gè)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(shí)儲(chǔ)存在變壓器電感中的磁能無(wú)處消耗，故輸出電壓會(huì)越來(lái)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(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，比繞組N2中的電流衰減到0所需的時(shí)間更長(zhǎng)，則在下一個(gè)周期開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通之前，副邊電流is及變壓器磁通Φ會(huì)衰減到0(這里我們忽略剩磁)，下一個(gè)周期T導(dǎo)通時(shí)，原邊電流ip從0開(kāi)始線性上升。

電流斷續(xù)時(shí)輸出電壓為

可見(jiàn)，電流斷續(xù)時(shí)，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(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)間正好等于二次繞組N2中的電流衰減到0所需的時(shí)間。

磁通復(fù)位原則

變壓器磁芯中的磁通在開(kāi)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(gè)周期結(jié)束時(shí)，磁通大于這個(gè)周期開(kāi)始時(shí)的大小，則它將隨著周期的重復(fù)而逐漸增加，工作點(diǎn)逐漸上移，使得勵(lì)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(kāi)關(guān)管的損壞。 因此在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)，變壓器磁芯中的磁通必須回到原來(lái)的位置，這就是所說(shuō)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(jiǎn)單。 而我們之前所說(shuō)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(lái)達(dá)到去磁的目的。

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