反激式转换器设计如何做到非常简单

反激式(Flyback)变压器又称单端反激式或Buck-Boost转换器。因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。反激式变换器以其电路结构简单，成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱。反激式变压器适合小功率电源以及各种电源适配器。但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计，因为输入电压范围宽，特别是在低输入电压，满负载条件下变压器会工作在连续电流模式，而在高输入电压，轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式。

反激式转换器(Flyback Converter)的设计类似于70年前的开关模式电源，可以执行任何类型的转换，例如AC-DC和DC-DC。反激式的设计为最早在1930年代至1940年代开发用于通信的电视提供了优势。反激式转换器使用的是非线性开关电源概念，与非反激式设计相比，反激式转换器存储磁能并充当电感器。本文简单介绍下反激式转换器工作原理和电路类型。反激式转换器也称之为电源转换器，它将交流电转换为直流电，并在输入和输出之间进行电流隔离。它在电流流过电路时储存能量，并在断电时释放能量。它使用了一个相互耦合的电感器，并用作降压或升压变压器的隔离开关转换器。反激式转换器可以控制和调节具有宽输入电压范围的多个输出电压。与其他开关模式电源电路相比，设计反激式转换器所需的组件很少。反激这个词被称为设计中使用的开关的“开/关”动作。

反激式转换器设计非常简单，包含反激式变压器、开关、整流器、滤波器等电气元件，以及驱动开关和实现调节的控制装置。其电路设计如下图所示：

开关用于接通和关断初级电路，可以使变压器磁化或退磁。来自控制器的PWM信号控制开关的操作。在大多数反激变压器设计中，FET、MOSFET或基本晶体管用作开关。整流器对次级绕组的电压进行整流以获得脉动直流输出，并将负载与变压器的次级绕组断开。电容器过滤整流器输出电压并根据所需应用增加直流输出电平。

反激变压器用作存储磁能的电感器，它被设计为一个双耦合电感器，用作初级和次级绕组，并且以接近50KHz的高频率工作。有必要考虑匝数比、占空比以及初级和次级绕组电流的反激转换器关系式计算。因为匝数比可能会影响流经初级和次级绕组的电流以及占空比。当匝数比高时，占空比也变高，通过初级和次级绕组的电流减小。由于电路中使用的变压器是定制类型，因此目前不可能获得具有匝数比的完美变压器。所以，通过选择具有所需额定值且更接近所需额定值的变压器，可以补偿电压和输出的差异。

高压大功率反激变压器是电力工程领域应用于雷电上行先导模拟试验的关键设备，属于能源技术范畴，外文名High voltage high power reverse excitation transformer。其作用为解决新型冲击电压发生装置构建中变压器的物理实现问题，主要结构包括磁芯结构和绕组结构 [1]。该变压器采用反激变换拓扑，工作参数包括输出电压峰值25kV、最大电压上升率40kV/ms，磁芯选用铁基非晶合金材料并设计为带集中切口气隙的跑道环形结构，绕组采用高、低压同心单层绕制以减少漏磁。通过研制样机验证，其输出电压峰值达到23.5kV，最大上升率满足40kV/ms设计要求，证实了电磁设计方案的有效性 [1]。

实验室条件下利用长空气间隙放电开展雷电上行先导模拟试验研究，需要在间隙上施加波前由缓变陡近似呈单调指数上升的MV级冲击电压波形，以准确模拟雷电先导自云端向大地发展过程中地面物体附近电场的时域变化特征。传统的Marx型冲击电压发生器只能输出双指数波形而无法满足电场等效模拟的要求。

在现代电力电子技术和高压大功率电力电子器件快速发展的背景下，利用电容可控充电方法实时控制容性负载的电压爬升过程以构建新型原理的MV级冲击电压发生装置，使雷电上行先导试验中电场时变特征等效模拟问题的解决成为现实。

据此，新型冲击电压发生装置的核心电路。该电路具有结构简单、易于控制和输入输出隔离的优点，可以实现高压大功率电容可控充电功能。电路采用了开关电源中常见的反激变换拓扑，但与开关电源稳压输出要求不同的是，其输出目标是通过控制容性负载充电过程以获得波前连续可控的冲击电压。

电路最高输出电压几十kV、最大输出功率达上百kW、开关周期最大充电能量可达数，这些参数比开关电源的要求至少高两个数量级。反激变压器作为反激变换拓扑中的关键元件，在电路中承担能量藕合传递的重要功能。为基于该拓扑电路最终构建新型冲击电压发生装置，需要针对高压大功率电容可控充电的电路应用特点，重点研究反激变压器的电磁结构问题 [1]。

能量传递方式的本质差异

1. 正激变换器变压器：

- 功能单一：仅作为能量传递媒介，初级绕组通电时，次级绕组同步输出能量，输入输出通过变压器直接耦合。

- 典型拓扑示例：单管正激(需复位绕组或RCD复位电路)、双管正激(利用开关管实现磁复位)。

- 功率范围：适用于中高功率(通常100W-1kW)，效率可达90%以上(参考IEEE Transactions on Power Electronics)。

2. 反激变换器变压器：

- 双重功能：既是变压器又是储能电感。初级绕组通电时储能，关断时通过次级释放能量，实现“先存后放”。

- 典型拓扑示例：隔离式反激(常见于适配器、LED驱动)，无需额外复位电路。

- 功率范围：适合小功率(通常<100W)，效率约80-85%(数据来源：Texas Instruments应用手册)。

磁芯复位机制的关键区别

1. 正激变换器：

- 必须强制复位：因磁通单向积累，需通过复位绕组、RCD电路或主动钳位等方式泄放剩余能量。例如，RCD复位电路中，复位电容电压需设计为输入电压的1.5-2倍(参考《开关电源设计》第三版)。

- 磁芯利用率低：复位期间变压器不工作，占空比通常限制在50%以内。

2. 反激变换器：

- 自动复位：通过次级绕组电流自然复位磁芯，无需额外电路。关断期间，磁能全部转移至负载。

- 磁芯利用率高：可工作于不连续(DCM)或连续模式(CCM)，占空比可超过50%。

应用场景与设计权衡

1. 正激变换器的优势场景：

- 高功率密度需求：如服务器电源、工业电源。

- 低纹波要求：输出滤波电感可进一步平滑电流。

2. 反激变换器的优势场景：

- 低成本方案：元件数量少，如手机充电器(成本可降低20-30%)。

- 多路输出：通过多绕组实现，如电视待机电源(±12V、5V多路输出)。

扩展讨论：设计中的隐性成本

- 正激变换器：复位电路增加复杂性和成本，但适合对可靠性要求高的场景。

- 反激变换器：需考虑漏感影响(通常占初级电感的5-10%，参考Infineon技术文档)，需优化绕组结构以减少损耗。

总结：两者选择取决于功率等级、成本预算及效率目标。正激适合高压大电流，反激胜在简单灵活，理解其变压器功能差异是优化设计的关键。