反激式转换器的工作原理及拓扑结构

Baekhyn0506 2022-09-05 13046

电源/新能源

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描述

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。

基本概念

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。

结构设计

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：

开关电源

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。

关系式推导

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。

此外，还应该考虑其它参数，例核心材料、气隙的影响和极化。下面讨论通过考虑开关位置的反激式转换器关系式计算。

1、当开关打开时：

Vin – VL – Vs = 0。

在理想条件下，Vs = 0(电压降)，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。

通过在两边应用集成，可以得到初级绕组上的电流为：Ipri =( Vin. /Lp )Ton。

初级绕组中存储的总能量为：Epri = ½ Ipri 2 X Lp。

其中Vin=输入电压、Lp=初级绕组的电感或初级电感、Ton=开关打开的时间。

2、当开关关闭时：

VL(次级) – VD – Vout = 0。

在理想条件下，二极管电压降为零，所以VL(次级)– Vout = 0，VL(次级)= Vout，VL = Ls di/dt，di = (VL 次级 / Ls) / dt。

由于VL次级=Vout，因此di = Vout / Ls) X dt。

通过应用集成，可以得到：Isec = (Vsec/Ls) (T – Ton)。

转移的总能量表示为：Esec = ½[(Vsec/Ls). (T – Ton) ]2. Ls

其中Vsec =次级绕组中的电压 = 负载处的总输出电压、Ls=次级绕组的电感、T=pwm信号周期、Ton=开启时间。

工作原理

从上图中可以很容易知道反激式转换器的工作原理，其工作原理基于开关模式电源(SMPS)模式。

当开关处于ON位置时，输入和负载之间没有能量传输。总能量将存储在电路的初级绕组中。这里漏极电压Vd=0，电流Ip通过初级绕组。能量以变压器磁感的形式存储，电流随时间线性增加。然后二极管变为反向偏置，没有电流流向变压器的次级绕组，总能量存储在输出端使用的电容器中。

当开关处于关闭位置时，由于磁场的作用，通过改变变压器绕组的极性，能量被传递到负载，整流电路开始对电压进行整流。核心中的总能量将被转移到负载将被整流，并且该过程将继续，直到核心中的能量耗尽或直到开关打开。

反激式拓扑结构

反激式转换器拓扑结构适应性强、灵活、简单且主要使用SMPS(开关模式电源)设计，具有良好的性能特性，可为许多应用带来优势，其性能特征如下图所示。

开关电源

上述波形显示了反激变压器初级和次级绕组的突变和反向电流。输出电压将通过调整初级绕组占空比的开/关动作来调节，并且可以通过使用反馈来隔离输入和输出，或者在变压器上使用额外的绕组。

反激式开关电源(SMPS)

反激式拓扑SMPS设计要求更少。与其他SMPS拓扑相比，反激式拓扑SMPS在给定功率范围内的组件，可以为给定的交流或直流电源工作。如果输入来自交流电源，则输出电压将被完全整流。这里MOSFET用作SMPS。

SMPS反激拓扑的运行完全基于开关即MOSFET的位置，电路图如下图所示：

开关电源

它可以根据开关或FET的位置以连续或中断模式运行。在已停产的型号中，次级绕组中的电流在开关打开之前变为零。在连续模式下，次级电流不会变为零。

当开关关断时，储存在变压器漏感中的能量流经初级绕组，被输入钳位电路或缓冲电路吸收。缓冲电路的作用是保护开关免受高感应电压的影响。在开关的ON和OFF转换期间会有功耗。

SMPS反激式变压器

SMPS反激式变压器设计比普通电源设计更受欢迎，因为它成本低、效率高且设计简单。它为给定的多个输入隔离变压器的初级和次级绕组，并提供多个输出电压，可以是正的或负的。

开关打开和关闭时的基本SMPS反激式变压器设计如下图所示，它也用作隔离电源转换器。设计中使用的反激变压器包含初级和次级绕组，电气隔离以避免瞬态耦合、接地环路，并提供灵活性。

开关电源

使用SMPS反激式变压器设计比传统变压器设计具有优势。在这里，电流不会同时流过初级和次级绕组，因为绕组的相位会反转。

开关电源

SMPS反激式变压器以磁场的形式在初级绕组中储存一定时间的能量并传递给初级绕组。最大输出负载电压、工作范围、输入和输出电压范围、功率传输能力以及反激周期特性是SMPS反激变压器设计中的重要参数。

主要应用

反激式转换器的主要应用包括：

用于电视机和小功率高达250W的电脑。

用于电子电脑中的备用电源(低功率开关模式)。

用于手机和手机充电器。

用于高压电源，如电视、CRT、激光、手电筒和复印设备等。

用于多输入输出电源。

用于隔离栅极驱动电路。

总结

以上就是关于反激式转换器工作原理、拓扑结构、SMPS反激变压器设计以及应用原理等相关内容的介绍。简单来说，反激式转换器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，它是开关电源的一种。

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