反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

?反激變換器?(Flyback Converter)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。其工作原理基于開關(guān)模式電源(SMPS)模式，通過控制開關(guān)管的導通和關(guān)斷來實現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。

反激變換器的工作可以分為兩個階段：開關(guān)閉合階段和開關(guān)斷開階段。在開關(guān)閉合階段，變壓器的初級線圈直接連接在輸入電壓上，初級線圈中的電流增加，磁芯中的磁場增強并儲存能量。此時，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)而不能導通，因此由電容向負載提供電壓和電流。在開關(guān)斷開階段，初級線圈中的電流為0，磁芯中的磁場開始下降，并在次級線圈上感應(yīng)出正向電壓。此時二極管處于正偏狀態(tài)，導通的電流流入電容和負載，磁芯中存儲的能量轉(zhuǎn)移至電容和負載中。

主要部件及其作用

反激變換器的核心部件包括：

?開關(guān)管?：通常采用MOSFET，通過其導通和關(guān)斷來控制變壓器的工作狀態(tài)。開關(guān)管的控制通常采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)來調(diào)節(jié)輸出電壓。

?變壓器?：在開關(guān)管導通時儲存能量，在開關(guān)管關(guān)斷時釋放能量至負載。變壓器具有特殊的儲能電感作用，初級線圈和次級線圈通過磁芯耦合。

?二極管?：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載。常用的是快速恢復二極管或肖特基二極管。

?電容?：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。

應(yīng)用領(lǐng)域

反激變換器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電源系統(tǒng)中，包括：

?電源適配器?：將輸入電壓轉(zhuǎn)換為適合設(shè)備使用的穩(wěn)定直流電壓。

?LED照明?：在LED照明系統(tǒng)中起到電源管理和驅(qū)動LED的作用，實現(xiàn)節(jié)能、高亮度的照明效果。

?電動汽車充電器?：將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為電動汽車所需的直流電進行充電。

反激變換器以其結(jié)構(gòu)簡單、功能多樣而著稱，能夠提供電氣隔離，保證設(shè)備的安全性和系統(tǒng)的可靠性，同時在各種電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback Converter)是一種特殊的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，用于將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。它廣泛應(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。反激式轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)包括輸入電源、變壓器、開關(guān)器件(如MOSFET或BJT)、整流二極管和輸出濾波電容。

反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理包括儲能過程和釋能過程。在儲能過程中，開關(guān)器件導通，電流從輸入電源流經(jīng)變壓器的初級繞組，能量被儲存在變壓器的磁場中。在釋能過程中，當開關(guān)器件截止時，變壓器中的磁場崩潰，通過互感作用將能量傳遞給次級繞組。這個過程中產(chǎn)生的電壓經(jīng)過整流二極管后充電到輸出濾波電容，以供應(yīng)負載。通過控制開關(guān)器件的導通時間和截止時間，可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

反激式轉(zhuǎn)換器具有一些優(yōu)點，如簡單緊湊、高效率、多電平輸出和良好的隔離性。然而，它也存在一些缺點，如輸出電壓在負載變化時可能存在波動、可能產(chǎn)生電磁干擾、會產(chǎn)生間歇性的輸入電流脈沖，并且設(shè)計復雜度較高。

總的來說，反激式轉(zhuǎn)換器是一種將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需輸出電壓的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

1、開關(guān)導通時反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)打開時的反激式轉(zhuǎn)換器

開關(guān)對于反激式轉(zhuǎn)換器的工作方式確實起著重要作用。當開關(guān)導通時，電流將從 Vin 流向初級地。這將為初級繞組充電并存儲能量。在此期間，由于二極管反向偏置，次級繞組沒有電流流動。此時的負載需求由輸出電容(Cout)供給。

開關(guān)導通時的反激式轉(zhuǎn)換器電流

2、開關(guān)關(guān)閉時反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)關(guān)閉時的反激式轉(zhuǎn)換器

當初級開關(guān)關(guān)斷時，初級繞組將抵抗電流的突然變化并反轉(zhuǎn)繞組的極性。這將導致輸出二極管的正向偏置。初級中存儲的能量將通過二極管傳輸至次級并傳輸至負載。在此期間，輸出電容器將補充電荷。

開關(guān)關(guān)閉時的反激式轉(zhuǎn)換器電流

反激式轉(zhuǎn)換器的電路分析

如果我們看到如下圖所示的基本單輸出反激式設(shè)計，我們將確定構(gòu)建該設(shè)計所需的基本主要組件?；镜姆醇な睫D(zhuǎn)換器需要一個開關(guān)，可以是 FET 或晶體管、變壓器、輸出二極管、電容器。最主要的是變壓器，變壓器至少由兩個電感器組成，稱為次級線圈和初級線圈，纏繞在線圈架中，中間有磁芯。磁芯決定磁通密度，磁通密度是將電能從一個繞組傳輸?shù)搅硪粋€繞組的重要參數(shù)。另一個最重要的事情是 變壓器的相位 ，即初級和次級繞組中顯示的點。

此外，正如我們所看到的，PWM 信號連接在晶體管開關(guān)上。這是由于開關(guān)關(guān)閉和打開時間的頻率造成的。在反激式調(diào)節(jié)器中，有兩種電路操作，一種是變壓器初級繞組充電時的 接通階段 ，另一種是當電能從初級轉(zhuǎn)移到次級時的 關(guān)閉或變壓器的轉(zhuǎn)移階段 ，終于到了負載。

如果我們假設(shè)開關(guān)已關(guān)閉很長時間，則電路中的電流為0并且不存在電壓。在這種情況下， 如果開關(guān)打開，則電流將增加，并且電感器將產(chǎn)生電壓降，該電壓降是點負的，因為初級點端上的電壓更負。在這種情況下，由于磁芯中產(chǎn)生的磁通，能量流向次級。在次級線圈上，會產(chǎn)生相同極性的電壓，但該電壓與次級線圈與初級線圈匝數(shù)比成正比。由于點負電壓，二極管關(guān)閉，次級不會有電流流動。如果電容器在前一個開關(guān)關(guān)閉-開啟周期中充電，則輸出電容器將僅向負載提供輸出電流。

在開關(guān)閉合階段，變壓器的初級線圈直接連接在輸入電壓上。此時，初級線圈中的電流增加，變壓器磁芯中的磁場也隨之增強，并在磁芯中儲存能量。與此同時，在次級線圈中產(chǎn)生的電壓是反向的，這使得二極管處于反偏狀態(tài)而不能導通。在這個階段，由電容向負載提供電壓和電流。

當開關(guān)斷開時，進入開關(guān)斷開階段。此時，初級線圈中的電流降為0，同時磁芯中的磁場開始下降。在次級線圈上會感應(yīng)出正向電壓，此時二極管處于正偏狀態(tài)并導通，導通的電流流入電容和負載。這樣，磁芯中存儲的能量就轉(zhuǎn)移至電容和負載中。

反激變換器通過交替切斷和導通開關(guān)管，實現(xiàn)輸入電壓到輸出電壓的轉(zhuǎn)換。并且，可以通過控制開關(guān)管的占空比和頻率，來實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

此外，反激變換器還常常在連續(xù)導通模式(CCM)或斷續(xù)導通模式(DCM)下運行：

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。

在DCM模式下，能量被完全釋放到負載中，意味著有一段時間電感電流為零。當電感電流為零時，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。

總的來說，反激變換器以其高效能、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性等特點，在電源適配器、LED照明以及電動汽車充電器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。