反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理和電路分析

什么是反激式轉(zhuǎn)換器？

反激式轉(zhuǎn)換器（Flyback Converter）是一種特殊的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(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(jí)和輸出級(jí)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(kāi)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(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程。在儲(chǔ)能過(guò)程中，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，電流從輸入電源流經(jīng)變壓器的初級(jí)繞組，能量被儲(chǔ)存在變壓器的磁場(chǎng)中。在釋能過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)關(guān)器件截止時(shí)，變壓器中的磁場(chǎng)崩潰，通過(guò)互感作用將能量傳遞給次級(jí)繞組。這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)整流二極管后充電到輸出濾波電容，以供應(yīng)負(fù)載。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)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(diǎn)，如簡(jiǎn)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(diǎn)，如輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)可能存在波動(dòng)、可能產(chǎn)生電磁干擾、會(huì)產(chǎn)生間歇性的輸入電流脈沖，并且設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高。

總的來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(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(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)的反激式轉(zhuǎn)換器

開(kāi)關(guān)對(duì)于反激式轉(zhuǎn)換器的工作方式確實(shí)起著重要作用。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流將從 Vin 流向初級(jí)地。這將為初級(jí)繞組充電并存儲(chǔ)能量。在此期間，由于二極管反向偏置，次級(jí)繞組沒(méi)有電流流動(dòng)。此時(shí)的負(fù)載需求由輸出電容（Cout）供給。

開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的反激式轉(zhuǎn)換器電流

2、開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)的反激式轉(zhuǎn)換器

當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，初級(jí)繞組將抵抗電流的突然變化并反轉(zhuǎn)繞組的極性。這將導(dǎo)致輸出二極管的正向偏置。初級(jí)中存儲(chǔ)的能量將通過(guò)二極管傳輸至次級(jí)并傳輸至負(fù)載。在此期間，輸出電容器將補(bǔ)充電荷。

開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)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(jì)，我們將確定構(gòu)建該設(shè)計(jì)所需的基本主要組件。基本的反激式轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)開(kāi)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(gè)電感器組成，稱為次級(jí)線圈和初級(jí)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(gè)繞組傳輸?shù)搅硪粋€(gè)繞組的重要參數(shù)。另一個(gè)最重要的事情是 變壓器的相位 ，即初級(jí)和次級(jí)繞組中顯示的點(diǎn)。

此外，正如我們所看到的，PWM 信號(hào)連接在晶體管開(kāi)關(guān)上。這是由于開(kāi)關(guān)關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)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(jí)繞組充電時(shí)的 接通階段 ，另一種是當(dāng)電能從初級(jí)轉(zhuǎn)移到次級(jí)時(shí)的 關(guān)閉或變壓器的轉(zhuǎn)移階段 ，終于到了負(fù)載。

如果我們假設(shè)開(kāi)關(guān)已關(guān)閉很長(zhǎng)時(shí)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(kāi)關(guān)打開(kāi)，則電流將增加，并且電感器將產(chǎn)生電壓降，該電壓降是點(diǎn)負(fù)的，因?yàn)槌跫?jí)點(diǎn)端上的電壓更負(fù)。在這種情況下，由于磁芯中產(chǎn)生的磁通，能量流向次級(jí)。在次級(jí)線圈上，會(huì)產(chǎn)生相同極性的電壓，但該電壓與次級(jí)線圈與初級(jí)線圈匝數(shù)比成正比。由于點(diǎn)負(fù)電壓，二極管關(guān)閉，次級(jí)不會(huì)有電流流動(dòng)。如果電容器在前一個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉-開(kāi)啟周期中充電，則輸出電容器將僅向負(fù)載提供輸出電流。

在下一階段， 當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí) ，流過(guò)初級(jí)的電流會(huì)減少，從而使次級(jí)點(diǎn)端變得更加積極。與之前的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通階段相同，初級(jí)電壓極性也會(huì)在次級(jí)上產(chǎn)生相同的極性，而次級(jí)電壓與初級(jí)和次級(jí)繞組比成正比。由于點(diǎn)正極，二極管導(dǎo)通，變壓器的次級(jí)電感向輸出電容器和負(fù)載提供電流。電容器在導(dǎo)通周期中失去電荷，現(xiàn)在再次重新充滿，并且能夠在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間向負(fù)載提供充電電流。

在整個(gè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉周期中，輸入電源與輸出電源之間不存在電氣連接。因此，變壓器隔離輸入和輸出。根據(jù)開(kāi)關(guān)時(shí)間的不同，有兩種操作模式。反激式轉(zhuǎn)換器可以工作在連續(xù)模式或斷續(xù)模式。在連續(xù)模式下，在初級(jí)充電之前，電流變?yōu)榱悖貜?fù)循環(huán)。另一方面，在斷續(xù)模式下，下一個(gè)周期僅在初級(jí)電感器電流變?yōu)榱銜r(shí)開(kāi)始。