反激变换器的结构和工作原理

反激变换器（Flyback Converter），也称为反激式转换器或反激式变换器，是一种广泛应用于交流直流（AC/DC）和直流直流（DC/DC）转换的电力电子器件。它在输入级和输出级之间提供绝缘隔离，是开关电源的一种重要形式。反激变换器以其结构简单、功能多样而著称，被广泛应用于医疗设备、笔记本电脑、USB充电器以及显像管的高压电源等领域。以下将详细介绍反激变换器的定义、结构及其工作原理。

一、反激变换器的定义

反激变换器是一种通过开关管控制变压器储能和释放能量的电力电子变换器。在开关管导通时，变压器储能；在开关管关断时，变压器释放能量至负载。由于变压器在能量释放时具有反向电流的特性，故得名“反激”。此外，反激变换器也被称为隔离式升降压变换器，因为它能够在调节系统输出电压的同时，最大限度地减少电磁干扰（EMI）。

二、反激变换器的结构

反激变换器的核心部件包括开关管（如MOSFET）、变压器、二极管和电容等。这些部件通过特定的电路连接方式构成反激变换器的整体结构。以下是反激变换器各主要部件的详细说明：

1. 开关管 ：
   • 作用 ：作为反激变换器的控制元件，通过其导通和关断来控制变压器的工作状态。
   • 类型 ：常用的是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），因其具有高速开关能力和低导通电阻而广受欢迎。
   • 控制方式 ：通常采用脉冲宽度调制（PWM）技术来控制开关管的导通时间（占空比），从而调节输出电压。
2. 变压器 ：
   • 作用 ：在开关管导通时储存能量，在开关管关断时释放能量至负载。反激变换器中的变压器具有特殊的储能电感作用，因此也被称为储能变压器。
   • 结构 ：由初级线圈（Primary Coil）和次级线圈（Secondary Coil）组成，两者通过磁芯耦合。为防止磁心饱和，变压器磁心常加气隙以降低导磁率。
   • 工作原理 ：在开关管导通期间，初级线圈中的电流增加，磁芯中的磁场增强并储存能量；在开关管关断期间，磁场开始下降并在次级线圈上感应出电压，通过二极管整流后向负载供电。
3. 二极管 ：
   • 作用 ：在开关管关断时作为整流元件，将变压器次级线圈产生的交流电压整流为直流电压供给负载。
   • 类型 ：常用的是快速恢复二极管或肖特基二极管，因其具有快速开关能力和低正向压降而适用于高频开关电源。
4. 电容 ：
   • 作用 ：在输出端滤除电压波动和噪声，提供稳定的直流输出电压。同时，在开关管导通期间向负载提供电压和电流。
   • 类型 ：根据输出电压和负载电流的需求选择合适的电容值和类型。

三、反激变换器的工作原理

反激变换器的工作原理可以分为两个主要阶段：开关闭合阶段和开关断开阶段。

1. 开关闭合阶段 ：
   • 当开关管导通时，变压器的初级线圈直接连接在输入电压上，初级线圈中的电流和变压器磁芯中的磁场增加，磁芯中储存能量。
   • 在次级线圈中产生的电压是反向的，使得二极管处于反偏状态而不能导通。此时，由电容向负载提供电压和电流。
2. 开关断开阶段 ：
   • 当开关管关断时，初级线圈中的电流为0，同时磁芯中的磁场开始下降。
   • 在次级线圈上感应出正向电压，此时二极管处于正偏状态并导通，导通的电流流入电容和负载。磁芯中存储的能量转移至电容和负载中。

反激变换器拓扑结构，如图所示：

S导通(开关管导通)时：

• 电流由输入电压端流经变压器原边线圈与开关形成电流回路。此时变压器原边线圈两端压降为Vi
• 副边线圈两端感应电压Vi/n，因回路上二极管不导通，副边回路上无电流
• 变压器原边线圈因电流流过而产生磁力线于变压器铁芯内，其数量会随流通电流的时间增加而增加
• 因副边线圈无电流流通，原边电流增加使得原边能量累积于原边线圈中，直到开关断开为止
  S关断(开关管关断)时：
• 原边线圈两端电压因磁力线累积储存在变压器铁芯内，因而产生反电势
• 原边线圈两端反电势由铁芯内累积的磁力线，使得副边线圈两端电压产生相对感应电势
• 二极管导通(理想二极管)，副边线圈两端电压为Vo，原边线圈两端电压为Vo*n
• 电流 由副边线圈开始经二极管与输出电容形成回路，并将变压器的能量释放，直到下一次开关导通为止

四、反激变换器的工作模式

反激变换器可以在连续导通模式（CCM）或断续导通模式（DCM）下运行。

• 连续导通模式（CCM） ：在CCM模式下，开关管在电感完全放电之前从关断状态切换到导通状态，从而防止电感电流降至零。这种模式具有恒定电流特性，适用于负载变化较大的应用场合，因为它能提供更稳定的输出电压。
• 断续导通模式（DCM） ：在DCM模式下，能量被完全释放到负载中，意味着有一段时间电感电流为零。当电感电流为零时，二极管和开关管均处于关断状态。这种模式在轻载条件下具有较高的瞬态响应速度和效率，因为当副边二极管在关断期间具有零电流开关（ZCS）时，可以显著降低开关器件的功耗。

五、反激变换器PWM的电压控制与电流控制

1、电压控制型PWM原理

电压控制模式只有一个电压环，设计起来相对比较容易，其产生PWM波的原理相对来说比其它的控制模式要简单一些。电压型控制的最大特点就是误差信号被输入到PWM比较器，与震荡器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高或降低使输出信号的脉宽增大或减小。

电压控制型PWM原理如图所示。反馈电压Vo'输入误差放大器的反向端与基准电压Vref进行比较，产生一个误差电压VE，作用于PWM比较器，与控制芯片内部振荡器产生的幅值固定的锯齿波Vr进行比较产生占空比可调的PWM信号，控制功率开关管S。它的自动稳压调节的实现完全是靠反馈即误差放大器来实现，当负载电流减小或直流输入电压升高时，都会引起输出电压的升高，这时系统的反馈电压增大，控制信号减小，使得输出的脉宽变窄，从而使得输出电压降低，反之亦然。

2、电流控制型PWM原理

电流控制型开关电源是针对电压控制型的缺点应运而生的。所谓电流控制型，就是在脉宽比较器的输入端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。电流型PWM除保留了电压控制的输出电压反馈控制部分外,又增加了一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控制系统。与电压控制型开关电源比较,电流控制型开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率，而且系统的稳定性和动态特性会有明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠，是开关电源较为理想的工作方式。

图为电流型控制PWM原理图，由图可知，时钟信号使PWM锁存器置位，开关管导通。其中有两个控制环路。第一是从输出电压取样，并反馈至误差放大器，与基准电压Vref比较后产生误差电压VE。第二是利用开关管S漏极串联的取样电阻Rs，将开关变压器初级的电流Ii变换为相应的电压值Vs，并反馈至电流比较器，与误差电压比较后产生占空比可调的PWM信号，使PWM锁存器复位，开关管截止。

六、反激变换器的设计考虑

在设计反激变换器时，需要考虑多个因素以确保其性能、效率和可靠性。以下是一些关键的设计考虑因素：

1. 变压器设计 ：
   • 匝数比 ：初级线圈与次级线圈的匝数比决定了电压的变换比例。根据输入输出电压需求，合理选择匝数比。
   • 磁芯选择 ：磁芯的材料、尺寸和气隙会影响变压器的电感量和储能能力。通常选择高磁导率、低损耗的材料，并根据功率和电压等级确定磁芯尺寸。
   • 线圈设计 ：线圈的导线直径、绝缘层厚度和绕制方式会影响电流密度、电阻和散热性能。需要综合考虑这些因素以优化线圈设计。
2. 开关管选择 ：
   • 额定电压和电流 ：选择开关管时，需确保其额定电压和电流高于实际工作条件中的最大值，以保证安全裕量。
   • 开关速度 ：高速开关管可以减少开关损耗和电磁干扰。
   • 热管理 ：考虑开关管在工作过程中的散热需求，选择适当的散热器或散热片。
3. 二极管选择 ：
   • 反向电压 ：二极管的反向电压应高于变压器次级线圈在开关管关断时产生的峰值电压。
   • 正向压降 ：低正向压降的二极管可以减少能量损失。
   • 恢复时间 ：快速恢复二极管可以减少开关管关断后的反向恢复电流，提高系统效率。
4. 反馈与控制 ：
   • 电压反馈 ：通过采样输出电压并与参考电压比较，生成控制信号来调节开关管的占空比，从而实现输出电压的稳定。
   • 电流保护 ：加入过流保护电路，以防止在短路或过载情况下损坏开关管和变压器。
   • 软启动 ：在启动过程中逐渐增加占空比，避免启动电流过大对电路造成冲击。
5. 电磁兼容性（EMC） ：
   • 滤波 ：在输入输出端加入适当的滤波器，以减少电磁干扰对电网和其他设备的影响。
   • 布局与布线 ：合理的PCB布局和布线可以减少电磁辐射和耦合干扰。
   • 屏蔽 ：使用金属屏蔽罩或导电涂料等方法，对关键部件进行电磁屏蔽。
6. 效率与损耗 ：
   • 开关损耗 ：包括开关管的导通损耗和关断损耗。选择低损耗的开关管和合适的驱动电路可以降低开关损耗。
   • 导通损耗 ：变压器线圈和二极管的正向导通电阻会产生导通损耗。优化线圈设计和选择低正向压降的二极管可以减少导通损耗。
   • 散热 ：合理设计散热系统，确保开关管和变压器等关键部件在工作过程中不会过热。

七、应用实例

反激变换器因其结构简单、成本低廉和易于实现隔离功能等优点，在多个领域得到了广泛应用。以下是一些典型的应用实例：

1. 电源适配器 ：为笔记本电脑、手机等便携式设备提供稳定的直流电源。
2. LED驱动电源 ：用于驱动LED照明灯具，实现高效、节能的照明效果。
3. 打印机电源 ：为打印机提供稳定的直流电源，满足其高电压、大电流的需求。
4. 医疗设备电源 ：为医疗设备提供隔离、稳定的直流电源，确保设备的安全性和可靠性。
5. 工业自动化控制 ：在工业自动化控制系统中，为各种传感器和执行器提供隔离的电源供应。

八、总结

反激变换器作为一种重要的电力电子变换器，在多个领域发挥着重要作用。其结构设计简单、功能多样，能够满足不同应用场景的需求。在设计反激变换器时，需要综合考虑变压器、开关管、二极管等关键部件的选择与优化设计，以及电磁兼容性、效率和损耗等关键因素。通过合理的设计和优化的控制策略，可以实现高效、稳定、可靠的电源供应系统。随着电力电子技术的不断发展，反激变换器将在更多领域得到应用和发展。