反激變換器（Flyback Converter），也稱為反激式轉換器或反激式變換器，是一種廣泛應用于交流直流（AC/DC）和直流直流（DC/DC）轉換的電力電子器件。它在輸入級和輸出級之間提供絕緣隔離，是開關電源的一種重要形式。反激變換器以其結構簡單、功能多樣而著稱，被廣泛應用于醫療設備、筆記本電腦、USB充電器以及顯像管的高壓電源等領域。以下將詳細介紹反激變換器的定義、結構及其工作原理。

一、反激變換器的定義

反激變換器是一種通過開關管控制變壓器儲能和釋放能量的電力電子變換器。在開關管導通時，變壓器儲能；在開關管關斷時，變壓器釋放能量至負載。由于變壓器在能量釋放時具有反向電流的特性，故得名“反激”。此外，反激變換器也被稱為隔離式升降壓變換器，因為它能夠在調節系統輸出電壓的同時，最大限度地減少電磁干擾（EMI）。

二、反激變換器的結構

反激變換器的核心部件包括開關管（如MOSFET）、變壓器、二極管和電容等。這些部件通過特定的電路連接方式構成反激變換器的整體結構。以下是反激變換器各主要部件的詳細說明：

1. 開關管 ：
   • 作用 ：作為反激變換器的控制元件，通過其導通和關斷來控制變壓器的工作狀態。
   • 類型 ：常用的是MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），因其具有高速開關能力和低導通電阻而廣受歡迎。
   • 控制方式 ：通常采用脈沖寬度調制（PWM）技術來控制開關管的導通時間（占空比），從而調節輸出電壓。
2. 變壓器 ：
   • 作用 ：在開關管導通時儲存能量，在開關管關斷時釋放能量至負載。反激變換器中的變壓器具有特殊的儲能電感作用，因此也被稱為儲能變壓器。
   • 結構 ：由初級線圈（Primary Coil）和次級線圈（Secondary Coil）組成，兩者通過磁芯耦合。為防止磁心飽和，變壓器磁心常加氣隙以降低導磁率。
   • 工作原理 ：在開關管導通期間，初級線圈中的電流增加，磁芯中的磁場增強并儲存能量；在開關管關斷期間，磁場開始下降并在次級線圈上感應出電壓，通過二極管整流后向負載供電。
3. 二極管 ：
   • 作用 ：在開關管關斷時作為整流元件，將變壓器次級線圈產生的交流電壓整流為直流電壓供給負載。
   • 類型 ：常用的是快速恢復二極管或肖特基二極管，因其具有快速開關能力和低正向壓降而適用于高頻開關電源。
4. 電容 ：
   • 作用 ：在輸出端濾除電壓波動和噪聲，提供穩定的直流輸出電壓。同時，在開關管導通期間向負載提供電壓和電流。
   • 類型 ：根據輸出電壓和負載電流的需求選擇合適的電容值和類型。

三、反激變換器的工作原理

反激變換器的工作原理可以分為兩個主要階段：開關閉合階段和開關斷開階段。

1. 開關閉合階段 ：
   • 當開關管導通時，變壓器的初級線圈直接連接在輸入電壓上，初級線圈中的電流和變壓器磁芯中的磁場增加，磁芯中儲存能量。
   • 在次級線圈中產生的電壓是反向的，使得二極管處于反偏狀態而不能導通。此時，由電容向負載提供電壓和電流。
2. 開關斷開階段 ：
   • 當開關管關斷時，初級線圈中的電流為0，同時磁芯中的磁場開始下降。
   • 在次級線圈上感應出正向電壓，此時二極管處于正偏狀態并導通，導通的電流流入電容和負載。磁芯中存儲的能量轉移至電容和負載中。

反激變換器拓撲結構，如圖所示：

S導通(開關管導通)時：

• 電流由輸入電壓端流經變壓器原邊線圈與開關形成電流回路。此時變壓器原邊線圈兩端壓降為Vi
• 副邊線圈兩端感應電壓Vi/n，因回路上二極管不導通，副邊回路上無電流
• 變壓器原邊線圈因電流流過而產生磁力線于變壓器鐵芯內，其數量會隨流通電流的時間增加而增加
• 因副邊線圈無電流流通，原邊電流增加使得原邊能量累積于原邊線圈中，直到開關斷開為止
  S關斷(開關管關斷)時：
• 原邊線圈兩端電壓因磁力線累積儲存在變壓器鐵芯內，因而產生反電勢
• 原邊線圈兩端反電勢由鐵芯內累積的磁力線，使得副邊線圈兩端電壓產生相對感應電勢
• 二極管導通(理想二極管)，副邊線圈兩端電壓為Vo，原邊線圈兩端電壓為Vo*n
• 電流 由副邊線圈開始經二極管與輸出電容形成回路，并將變壓器的能量釋放，直到下一次開關導通為止

四、反激變換器的工作模式

反激變換器可以在連續導通模式（CCM）或斷續導通模式（DCM）下運行。

• 連續導通模式（CCM） ：在CCM模式下，開關管在電感完全放電之前從關斷狀態切換到導通狀態，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用場合，因為它能提供更穩定的輸出電壓。
• 斷續導通模式（DCM） ：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，二極管和開關管均處于關斷狀態。這種模式在輕載條件下具有較高的瞬態響應速度和效率，因為當副邊二極管在關斷期間具有零電流開關（ZCS）時，可以顯著降低開關器件的功耗。

五、反激變換器PWM的電壓控制與電流控制

1、電壓控制型PWM原理

電壓控制模式只有一個電壓環，設計起來相對比較容易，其產生PWM波的原理相對來說比其它的控制模式要簡單一些。電壓型控制的最大特點就是誤差信號被輸入到PWM比較器，與震蕩器產生的三角波進行比較。電壓誤差信號升高或降低使輸出信號的脈寬增大或減小。

電壓控制型PWM原理如圖所示。反饋電壓Vo'輸入誤差放大器的反向端與基準電壓Vref進行比較，產生一個誤差電壓VE，作用于PWM比較器，與控制芯片內部振蕩器產生的幅值固定的鋸齒波Vr進行比較產生占空比可調的PWM信號，控制功率開關管S。它的自動穩壓調節的實現完全是靠反饋即誤差放大器來實現，當負載電流減小或直流輸入電壓升高時，都會引起輸出電壓的升高，這時系統的反饋電壓增大，控制信號減小，使得輸出的脈寬變窄，從而使得輸出電壓降低，反之亦然。

2、電流控制型PWM原理

電流控制型開關電源是針對電壓控制型的缺點應運而生的。所謂電流控制型，就是在脈寬比較器的輸入端將電流采樣信號與誤差放大器的輸出信號進行比較，以此來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化。電流型PWM除保留了電壓控制的輸出電壓反饋控制部分外,又增加了一個電流反饋環節，是一個電壓、電流雙閉環控制系統。與電壓控制型開關電源比較,電流控制型開關電源具有更好的電壓調整率和負載調整率，而且系統的穩定性和動態特性會有明顯改善，特別是其內在的限流能力和并聯均流能力使控制電路簡單可靠，是開關電源較為理想的工作方式。

圖為電流型控制PWM原理圖，由圖可知，時鐘信號使PWM鎖存器置位，開關管導通。其中有兩個控制環路。第一是從輸出電壓取樣，并反饋至誤差放大器，與基準電壓Vref比較后產生誤差電壓VE。第二是利用開關管S漏極串聯的取樣電阻Rs，將開關變壓器初級的電流Ii變換為相應的電壓值Vs，并反饋至電流比較器，與誤差電壓比較后產生占空比可調的PWM信號，使PWM鎖存器復位，開關管截止。

六、反激變換器的設計考慮

在設計反激變換器時，需要考慮多個因素以確保其性能、效率和可靠性。以下是一些關鍵的設計考慮因素：

1. 變壓器設計 ：
   • 匝數比 ：初級線圈與次級線圈的匝數比決定了電壓的變換比例。根據輸入輸出電壓需求，合理選擇匝數比。
   • 磁芯選擇 ：磁芯的材料、尺寸和氣隙會影響變壓器的電感量和儲能能力。通常選擇高磁導率、低損耗的材料，并根據功率和電壓等級確定磁芯尺寸。
   • 線圈設計 ：線圈的導線直徑、絕緣層厚度和繞制方式會影響電流密度、電阻和散熱性能。需要綜合考慮這些因素以優化線圈設計。
2. 開關管選擇 ：
   • 額定電壓和電流 ：選擇開關管時，需確保其額定電壓和電流高于實際工作條件中的最大值，以保證安全裕量。
   • 開關速度 ：高速開關管可以減少開關損耗和電磁干擾。
   • 熱管理 ：考慮開關管在工作過程中的散熱需求，選擇適當的散熱器或散熱片。
3. 二極管選擇 ：
   • 反向電壓 ：二極管的反向電壓應高于變壓器次級線圈在開關管關斷時產生的峰值電壓。
   • 正向壓降 ：低正向壓降的二極管可以減少能量損失。
   • 恢復時間 ：快速恢復二極管可以減少開關管關斷后的反向恢復電流，提高系統效率。
4. 反饋與控制 ：
   • 電壓反饋 ：通過采樣輸出電壓并與參考電壓比較，生成控制信號來調節開關管的占空比，從而實現輸出電壓的穩定。
   • 電流保護 ：加入過流保護電路，以防止在短路或過載情況下損壞開關管和變壓器。
   • 軟啟動 ：在啟動過程中逐漸增加占空比，避免啟動電流過大對電路造成沖擊。
5. 電磁兼容性（EMC） ：
   • 濾波 ：在輸入輸出端加入適當的濾波器，以減少電磁干擾對電網和其他設備的影響。
   • 布局與布線 ：合理的PCB布局和布線可以減少電磁輻射和耦合干擾。
   • 屏蔽 ：使用金屬屏蔽罩或導電涂料等方法，對關鍵部件進行電磁屏蔽。
6. 效率與損耗 ：
   • 開關損耗 ：包括開關管的導通損耗和關斷損耗。選擇低損耗的開關管和合適的驅動電路可以降低開關損耗。
   • 導通損耗 ：變壓器線圈和二極管的正向導通電阻會產生導通損耗。優化線圈設計和選擇低正向壓降的二極管可以減少導通損耗。
   • 散熱 ：合理設計散熱系統，確保開關管和變壓器等關鍵部件在工作過程中不會過熱。

七、應用實例

反激變換器因其結構簡單、成本低廉和易于實現隔離功能等優點，在多個領域得到了廣泛應用。以下是一些典型的應用實例：

1. 電源適配器 ：為筆記本電腦、手機等便攜式設備提供穩定的直流電源。
2. LED驅動電源 ：用于驅動LED照明燈具，實現高效、節能的照明效果。
3. 打印機電源 ：為打印機提供穩定的直流電源，滿足其高電壓、大電流的需求。
4. 醫療設備電源 ：為醫療設備提供隔離、穩定的直流電源，確保設備的安全性和可靠性。
5. 工業自動化控制 ：在工業自動化控制系統中，為各種傳感器和執行器提供隔離的電源供應。

八、總結

反激變換器作為一種重要的電力電子變換器，在多個領域發揮著重要作用。其結構設計簡單、功能多樣，能夠滿足不同應用場景的需求。在設計反激變換器時，需要綜合考慮變壓器、開關管、二極管等關鍵部件的選擇與優化設計，以及電磁兼容性、效率和損耗等關鍵因素。通過合理的設計和優化的控制策略，可以實現高效、穩定、可靠的電源供應系統。隨著電力電子技術的不斷發展，反激變換器將在更多領域得到應用和發展。