反激式转换器的工作原理

‌反激变换器‌(Flyback Converter)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。其工作原理基于开关模式电源(SMPS)模式，通过控制开关管的导通和关断来实现能量的传递和转换。

反激变换器的工作可以分为两个阶段：开关闭合阶段和开关断开阶段。在开关闭合阶段，变压器的初级线圈直接连接在输入电压上，初级线圈中的电流增加，磁芯中的磁场增强并储存能量。此时，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，因此由电容向负载提供电压和电流。在开关断开阶段，初级线圈中的电流为0，磁芯中的磁场开始下降，并在次级线圈上感应出正向电压。此时二极管处于正偏状态，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。

主要部件及其作用

反激变换器的核心部件包括：

‌开关管‌：通常采用MOSFET，通过其导通和关断来控制变压器的工作状态。开关管的控制通常采用脉冲宽度调制(PWM)技术来调节输出电压。

‌变压器‌：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。变压器具有特殊的储能电感作用，初级线圈和次级线圈通过磁芯耦合。

‌二极管‌：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。常用的是快速恢复二极管或肖特基二极管。

‌电容‌：在输出端滤除电压波动和噪声，提供稳定的直流输出电压。

应用领域

反激变换器广泛应用于各种电子设备和电源系统中，包括：

‌电源适配器‌：将输入电压转换为适合设备使用的稳定直流电压。

‌LED照明‌：在LED照明系统中起到电源管理和驱动LED的作用，实现节能、高亮度的照明效果。

‌电动汽车充电器‌：将电网交流电转换为电动汽车所需的直流电进行充电。

反激变换器以其结构简单、功能多样而著称，能够提供电气隔离，保证设备的安全性和系统的可靠性，同时在各种电子设备中得到了广泛的应用。

反激式转换器(Flyback Converter)是一种特殊的开关电源拓扑结构，用于将直流输入电压转换为所需的输出电压。它广泛应用于交流直流(AC/DC)和直流直流(DC/DC)转换，并在输入级和输出级之间提供绝缘隔离。反激式转换器的基本结构包括输入电源、变压器、开关器件(如MOSFET或BJT)、整流二极管和输出滤波电容。

反激式转换器的工作原理包括储能过程和释能过程。在储能过程中，开关器件导通，电流从输入电源流经变压器的初级绕组，能量被储存在变压器的磁场中。在释能过程中，当开关器件截止时，变压器中的磁场崩溃，通过互感作用将能量传递给次级绕组。这个过程中产生的电压经过整流二极管后充电到输出滤波电容，以供应负载。通过控制开关器件的导通时间和截止时间，可以调节输出电压。

反激式转换器具有一些优点，如简单紧凑、高效率、多电平输出和良好的隔离性。然而，它也存在一些缺点，如输出电压在负载变化时可能存在波动、可能产生电磁干扰、会产生间歇性的输入电流脉冲，并且设计复杂度较高。

总的来说，反激式转换器是一种将直流输入电压转换为所需输出电压的开关电源拓扑结构，具有广泛的应用范围。

反激式转换器的工作原理

1、开关导通时反激式转换器的工作原理

开关打开时的反激式转换器

开关对于反激式转换器的工作方式确实起着重要作用。当开关导通时，电流将从 Vin 流向初级地。这将为初级绕组充电并存储能量。在此期间，由于二极管反向偏置，次级绕组没有电流流动。此时的负载需求由输出电容(Cout)供给。

开关导通时的反激式转换器电流

2、开关关闭时反激式转换器的工作原理

开关关闭时的反激式转换器

当初级开关关断时，初级绕组将抵抗电流的突然变化并反转绕组的极性。这将导致输出二极管的正向偏置。初级中存储的能量将通过二极管传输至次级并传输至负载。在此期间，输出电容器将补充电荷。

开关关闭时的反激式转换器电流

反激式转换器的电路分析

如果我们看到如下图所示的基本单输出反激式设计，我们将确定构建该设计所需的基本主要组件。基本的反激式转换器需要一个开关，可以是 FET 或晶体管、变压器、输出二极管、电容器。最主要的是变压器，变压器至少由两个电感器组成，称为次级线圈和初级线圈，缠绕在线圈架中，中间有磁芯。磁芯决定磁通密度，磁通密度是将电能从一个绕组传输到另一个绕组的重要参数。另一个最重要的事情是 变压器的相位 ，即初级和次级绕组中显示的点。

此外，正如我们所看到的，PWM 信号连接在晶体管开关上。这是由于开关关闭和打开时间的频率造成的。在反激式调节器中，有两种电路操作，一种是变压器初级绕组充电时的 接通阶段 ，另一种是当电能从初级转移到次级时的 关闭或变压器的转移阶段 ，终于到了负载。

如果我们假设开关已关闭很长时间，则电路中的电流为0并且不存在电压。在这种情况下， 如果开关打开，则电流将增加，并且电感器将产生电压降，该电压降是点负的，因为初级点端上的电压更负。在这种情况下，由于磁芯中产生的磁通，能量流向次级。在次级线圈上，会产生相同极性的电压，但该电压与次级线圈与初级线圈匝数比成正比。由于点负电压，二极管关闭，次级不会有电流流动。如果电容器在前一个开关关闭-开启周期中充电，则输出电容器将仅向负载提供输出电流。

在开关闭合阶段，变压器的初级线圈直接连接在输入电压上。此时，初级线圈中的电流增加，变压器磁芯中的磁场也随之增强，并在磁芯中储存能量。与此同时，在次级线圈中产生的电压是反向的，这使得二极管处于反偏状态而不能导通。在这个阶段，由电容向负载提供电压和电流。

当开关断开时，进入开关断开阶段。此时，初级线圈中的电流降为0，同时磁芯中的磁场开始下降。在次级线圈上会感应出正向电压，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。这样，磁芯中存储的能量就转移至电容和负载中。

反激变换器通过交替切断和导通开关管，实现输入电压到输出电压的转换。并且，可以通过控制开关管的占空比和频率，来实现对输出电压的调节和稳定。

此外，反激变换器还常常在连续导通模式(CCM)或断续导通模式(DCM)下运行：

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。

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。

总的来说，反激变换器以其高效能、稳定性和调节性等特点，在电源适配器、LED照明以及电动汽车充电器等领域有着广泛的应用。