反激式轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)及其變壓器設(shè)計

反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback Converter)的設(shè)計類似于70年前的開關(guān)模式電源，可以執(zhí)行任何類型的轉(zhuǎn)換，例如AC-DC和DC-DC。反激式的設(shè)計為最早在1930年代至1940年代開發(fā)用于通信的電視提供了優(yōu)勢。

反激式轉(zhuǎn)換器使用的是非線性開關(guān)電源概念，與非反激式設(shè)計相比，反激式轉(zhuǎn)換器存儲磁能并充當電感器。本文簡單介紹下反激式轉(zhuǎn)換器工作原理和電路類型。

基本概念

反激式轉(zhuǎn)換器也稱之為電源轉(zhuǎn)換器，它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并在輸入和輸出之間進行電流隔離。它在電流流過電路時儲存能量，并在斷電時釋放能量。它使用了一個相互耦合的電感器，并用作降壓或升壓變壓器的隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器可以控制和調(diào)節(jié)具有寬輸入電壓范圍的多個輸出電壓。與其他開關(guān)模式電源電路相比，設(shè)計反激式轉(zhuǎn)換器所需的組件很少。反激這個詞被稱為設(shè)計中使用的開關(guān)的“開/關(guān)”動作。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計非常簡單，包含反激式變壓器、開關(guān)、整流器、濾波器等電氣元件，以及驅(qū)動開關(guān)和實現(xiàn)調(diào)節(jié)的控制裝置。其電路設(shè)計如下圖所示：

開關(guān)用于接通和關(guān)斷初級電路，可以使變壓器磁化或退磁。來自控制器的PWM信號控制開關(guān)的操作。在大多數(shù)反激變壓器設(shè)計中，F(xiàn)ET、MOSFET或基本晶體管用作開關(guān)。

整流器對次級繞組的電壓進行整流以獲得脈動直流輸出，并將負載與變壓器的次級繞組斷開。電容器過濾整流器輸出電壓并根據(jù)所需應(yīng)用增加直流輸出電平。

反激變壓器用作存儲磁能的電感器，它被設(shè)計為一個雙耦合電感器，用作初級和次級繞組，并且以接近50KHz的高頻率工作。

關(guān)系式推導

有必要考慮匝數(shù)比、占空比以及初級和次級繞組電流的反激轉(zhuǎn)換器關(guān)系式計算。因為匝數(shù)比可能會影響流經(jīng)初級和次級繞組的電流以及占空比。當匝數(shù)比高時，占空比也變高，通過初級和次級繞組的電流減小。

由于電路中使用的變壓器是定制類型，因此目前不可能獲得具有匝數(shù)比的完美變壓器。所以，通過選擇具有所需額定值且更接近所需額定值的變壓器，可以補償電壓和輸出的差異。

此外，還應(yīng)該考慮其它參數(shù)，例核心材料、氣隙的影響和極化。下面討論通過考慮開關(guān)位置的反激式轉(zhuǎn)換器關(guān)系式計算。

1、當開關(guān)打開時：

Vin – VL – Vs = 0。

在理想條件下，Vs = 0(電壓降)，那么Vin – VL = 0、VL = Lp di/dt、di = (VL / Lp) x dt。

由于VL = Vin，所以di = (Vin / Lp) x dt。

通過在兩邊應(yīng)用集成，可以得到初級繞組上的電流為：Ipri =( Vin. /Lp )Ton。

初級繞組中存儲的總能量為：Epri = ? Ipri 2 X Lp。

其中Vin=輸入電壓、Lp=初級繞組的電感或初級電感、Ton=開關(guān)打開的時間。

2、當開關(guān)關(guān)閉時：

VL(次級) – VD – Vout = 0。

在理想條件下，二極管電壓降為零，所以VL(次級)– Vout = 0，VL(次級)= Vout，VL = Ls di/dt，di = (VL 次級 / Ls) / dt。

由于VL次級=Vout，因此di = Vout / Ls) X dt。

通過應(yīng)用集成，可以得到：Isec = (Vsec/Ls) (T – Ton)。

轉(zhuǎn)移的總能量表示為：Esec = ?[(Vsec/Ls). (T – Ton) ]2. Ls

其中Vsec =次級繞組中的電壓 = 負載處的總輸出電壓、Ls=次級繞組的電感、T=pwm信號周期、Ton=開啟時間。

工作原理

從上圖中可以很容易知道反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理，其工作原理基于開關(guān)模式電源(SMPS)模式。

當開關(guān)處于ON位置時，輸入和負載之間沒有能量傳輸?？偰芰繉⒋鎯υ陔娐返某跫壚@組中。這里漏極電壓Vd=0，電流Ip通過初級繞組。能量以變壓器磁感的形式存儲，電流隨時間線性增加。然后二極管變?yōu)榉聪蚱?，沒有電流流向變壓器的次級繞組，總能量存儲在輸出端使用的電容器中。

當開關(guān)處于關(guān)閉位置時，由于磁場的作用，通過改變變壓器繞組的極性，能量被傳遞到負載，整流電路開始對電壓進行整流。核心中的總能量將被轉(zhuǎn)移到負載將被整流，并且該過程將繼續(xù)，直到核心中的能量耗盡或直到開關(guān)打開。

反激式拓撲結(jié)構(gòu)

反激式轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強、靈活、簡單且主要使用SMPS(開關(guān)模式電源)設(shè)計，具有良好的性能特性，可為許多應(yīng)用帶來優(yōu)勢，其性能特征如下圖所示。

上述波形顯示了反激變壓器初級和次級繞組的突變和反向電流。輸出電壓將通過調(diào)整初級繞組占空比的開/關(guān)動作來調(diào)節(jié)，并且可以通過使用反饋來隔離輸入和輸出，或者在變壓器上使用額外的繞組。

反激式開關(guān)電源(SMPS)

反激式拓撲SMPS設(shè)計要求更少。與其他SMPS拓撲相比，反激式拓撲SMPS在給定功率范圍內(nèi)的組件，可以為給定的交流或直流電源工作。如果輸入來自交流電源，則輸出電壓將被完全整流。這里MOSFET用作SMPS。

SMPS反激拓撲的運行完全基于開關(guān)即MOSFET的位置，電路圖如下圖所示：

它可以根據(jù)開關(guān)或FET的位置以連續(xù)或中斷模式運行。在已停產(chǎn)的型號中，次級繞組中的電流在開關(guān)打開之前變?yōu)榱?。在連續(xù)模式下，次級電流不會變?yōu)榱恪?

當開關(guān)關(guān)斷時，儲存在變壓器漏感中的能量流經(jīng)初級繞組，被輸入鉗位電路或緩沖電路吸收。緩沖電路的作用是保護開關(guān)免受高感應(yīng)電壓的影響。在開關(guān)的ON和OFF轉(zhuǎn)換期間會有功耗。

SMPS反激式變壓器

SMPS反激式變壓器設(shè)計比普通電源設(shè)計更受歡迎，因為它成本低、效率高且設(shè)計簡單。它為給定的多個輸入隔離變壓器的初級和次級繞組，并提供多個輸出電壓，可以是正的或負的。

開關(guān)打開和關(guān)閉時的基本SMPS反激式變壓器設(shè)計如下圖所示，它也用作隔離電源轉(zhuǎn)換器。設(shè)計中使用的反激變壓器包含初級和次級繞組，電氣隔離以避免瞬態(tài)耦合、接地環(huán)路，并提供靈活性。

使用SMPS反激式變壓器設(shè)計比傳統(tǒng)變壓器設(shè)計具有優(yōu)勢。在這里，電流不會同時流過初級和次級繞組，因為繞組的相位會反轉(zhuǎn)。

SMPS反激式變壓器以磁場的形式在初級繞組中儲存一定時間的能量并傳遞給初級繞組。最大輸出負載電壓、工作范圍、輸入和輸出電壓范圍、功率傳輸能力以及反激周期特性是SMPS反激變壓器設(shè)計中的重要參數(shù)。

主要應(yīng)用

反激式轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用包括：

用于電視機和小功率高達250W的電腦。

用于電子電腦中的備用電源(低功率開關(guān)模式)。

用于手機和手機充電器。

用于高壓電源，如電視、CRT、激光、手電筒和復印設(shè)備等。

用于多輸入輸出電源。

用于隔離柵極驅(qū)動電路。

總結(jié)

以上就是關(guān)于反激式轉(zhuǎn)換器工作原理、拓撲結(jié)構(gòu)、SMPS反激變壓器設(shè)計以及應(yīng)用原理等相關(guān)內(nèi)容的介紹。簡單來說，反激式轉(zhuǎn)換器廣泛應(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，它是開關(guān)電源的一種。