反激式轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其變壓器設(shè)計(jì)

反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback Converter)的設(shè)計(jì)類似于70年前的開關(guān)模式電源，可以執(zhí)行任何類型的轉(zhuǎn)換，例如AC-DC和DC-DC。反激式的設(shè)計(jì)為最早在1930年代至1940年代開發(fā)用于通信的電視提供了優(yōu)勢(shì)。

反激式轉(zhuǎn)換器使用的是非線性開關(guān)電源概念，與非反激式設(shè)計(jì)相比，反激式轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)磁能并充當(dāng)電感器。本文簡(jiǎn)單介紹下反激式轉(zhuǎn)換器工作原理和電路類型。

基本概念

反激式轉(zhuǎn)換器也稱之為電源轉(zhuǎn)換器，它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并在輸入和輸出之間進(jìn)行電流隔離。它在電流流過(guò)電路時(shí)儲(chǔ)存能量，并在斷電時(shí)釋放能量。它使用了一個(gè)相互耦合的電感器，并用作降壓或升壓變壓器的隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器可以控制和調(diào)節(jié)具有寬輸入電壓范圍的多個(gè)輸出電壓。與其他開關(guān)模式電源電路相比，設(shè)計(jì)反激式轉(zhuǎn)換器所需的組件很少。反激這個(gè)詞被稱為設(shè)計(jì)中使用的開關(guān)的“開/關(guān)”動(dòng)作。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，包含反激式變壓器、開關(guān)、整流器、濾波器等電氣元件，以及驅(qū)動(dòng)開關(guān)和實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的控制裝置。其電路設(shè)計(jì)如下圖所示：

開關(guān)用于接通和關(guān)斷初級(jí)電路，可以使變壓器磁化或退磁。來(lái)自控制器的PWM信號(hào)控制開關(guān)的操作。在大多數(shù)反激變壓器設(shè)計(jì)中，F(xiàn)ET、MOSFET或基本晶體管用作開關(guān)。

整流器對(duì)次級(jí)繞組的電壓進(jìn)行整流以獲得脈動(dòng)直流輸出，并將負(fù)載與變壓器的次級(jí)繞組斷開。電容器過(guò)濾整流器輸出電壓并根據(jù)所需應(yīng)用增加直流輸出電平。

反激變壓器用作存儲(chǔ)磁能的電感器，它被設(shè)計(jì)為一個(gè)雙耦合電感器，用作初級(jí)和次級(jí)繞組，并且以接近50KHz的高頻率工作。

關(guān)系式推導(dǎo)

有必要考慮匝數(shù)比、占空比以及初級(jí)和次級(jí)繞組電流的反激轉(zhuǎn)換器關(guān)系式計(jì)算。因?yàn)樵褦?shù)比可能會(huì)影響流經(jīng)初級(jí)和次級(jí)繞組的電流以及占空比。當(dāng)匝數(shù)比高時(shí)，占空比也變高，通過(guò)初級(jí)和次級(jí)繞組的電流減小。

由于電路中使用的變壓器是定制類型，因此目前不可能獲得具有匝數(shù)比的完美變壓器。所以，通過(guò)選擇具有所需額定值且更接近所需額定值的變壓器，可以補(bǔ)償電壓和輸出的差異。

此外，還應(yīng)該考慮其它參數(shù)，例核心材料、氣隙的影響和極化。下面討論通過(guò)考慮開關(guān)位置的反激式轉(zhuǎn)換器關(guān)系式計(jì)算。

1、當(dāng)開關(guān)打開時(shí)：

Vin – VL – Vs = 0。

在理想條件下，Vs = 0(電壓降)，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。

通過(guò)在兩邊應(yīng)用集成，可以得到初級(jí)繞組上的電流為：Ipri =( Vin. /Lp )Ton。

初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的總能量為：Epri = ? Ipri 2 X Lp。

其中Vin=輸入電壓、Lp=初級(jí)繞組的電感或初級(jí)電感、Ton=開關(guān)打開的時(shí)間。

2、當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)：

VL(次級(jí)) – VD – Vout = 0。

在理想條件下，二極管電壓降為零，所以VL(次級(jí))– Vout = 0，VL(次級(jí))= Vout，VL = Ls di/dt，di = (VL 次級(jí) / Ls) / dt。

由于VL次級(jí)=Vout，因此di = Vout / Ls) X dt。

通過(guò)應(yīng)用集成，可以得到：Isec = (Vsec/Ls) (T – Ton)。

轉(zhuǎn)移的總能量表示為：Esec = ?[(Vsec/Ls). (T – Ton) ]2. Ls

其中Vsec =次級(jí)繞組中的電壓 = 負(fù)載處的總輸出電壓、Ls=次級(jí)繞組的電感、T=pwm信號(hào)周期、Ton=開啟時(shí)間。

工作原理

從上圖中可以很容易知道反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理，其工作原理基于開關(guān)模式電源(SMPS)模式。

當(dāng)開關(guān)處于ON位置時(shí)，輸入和負(fù)載之間沒(méi)有能量傳輸?？偰芰繉⒋鎯?chǔ)在電路的初級(jí)繞組中。這里漏極電壓Vd=0，電流Ip通過(guò)初級(jí)繞組。能量以變壓器磁感的形式存儲(chǔ)，電流隨時(shí)間線性增加。然后二極管變?yōu)榉聪蚱?，沒(méi)有電流流向變壓器的次級(jí)繞組，總能量存儲(chǔ)在輸出端使用的電容器中。

當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉位置時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，通過(guò)改變變壓器繞組的極性，能量被傳遞到負(fù)載，整流電路開始對(duì)電壓進(jìn)行整流。核心中的總能量將被轉(zhuǎn)移到負(fù)載將被整流，并且該過(guò)程將繼續(xù)，直到核心中的能量耗盡或直到開關(guān)打開。

反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、靈活、簡(jiǎn)單且主要使用SMPS(開關(guān)模式電源)設(shè)計(jì)，具有良好的性能特性，可為許多應(yīng)用帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，其性能特征如下圖所示。

上述波形顯示了反激變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組的突變和反向電流。輸出電壓將通過(guò)調(diào)整初級(jí)繞組占空比的開/關(guān)動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)，并且可以通過(guò)使用反饋來(lái)隔離輸入和輸出，或者在變壓器上使用額外的繞組。

反激式開關(guān)電源(SMPS)

反激式拓?fù)銼MPS設(shè)計(jì)要求更少。與其他SMPS拓?fù)湎啾龋醇な酵負(fù)銼MPS在給定功率范圍內(nèi)的組件，可以為給定的交流或直流電源工作。如果輸入來(lái)自交流電源，則輸出電壓將被完全整流。這里MOSFET用作SMPS。

SMPS反激拓?fù)涞倪\(yùn)行完全基于開關(guān)即MOSFET的位置，電路圖如下圖所示：

它可以根據(jù)開關(guān)或FET的位置以連續(xù)或中斷模式運(yùn)行。在已停產(chǎn)的型號(hào)中，次級(jí)繞組中的電流在開關(guān)打開之前變?yōu)榱?。在連續(xù)模式下，次級(jí)電流不會(huì)變?yōu)榱恪?

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器漏感中的能量流經(jīng)初級(jí)繞組，被輸入鉗位電路或緩沖電路吸收。緩沖電路的作用是保護(hù)開關(guān)免受高感應(yīng)電壓的影響。在開關(guān)的ON和OFF轉(zhuǎn)換期間會(huì)有功耗。

SMPS反激式變壓器

SMPS反激式變壓器設(shè)計(jì)比普通電源設(shè)計(jì)更受歡迎，因?yàn)樗杀镜?、效率高且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。它為給定的多個(gè)輸入隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組，并提供多個(gè)輸出電壓，可以是正的或負(fù)的。

開關(guān)打開和關(guān)閉時(shí)的基本SMPS反激式變壓器設(shè)計(jì)如下圖所示，它也用作隔離電源轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)中使用的反激變壓器包含初級(jí)和次級(jí)繞組，電氣隔離以避免瞬態(tài)耦合、接地環(huán)路，并提供靈活性。

使用SMPS反激式變壓器設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)變壓器設(shè)計(jì)具有優(yōu)勢(shì)。在這里，電流不會(huì)同時(shí)流過(guò)初級(jí)和次級(jí)繞組，因?yàn)槔@組的相位會(huì)反轉(zhuǎn)。

SMPS反激式變壓器以磁場(chǎng)的形式在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存一定時(shí)間的能量并傳遞給初級(jí)繞組。最大輸出負(fù)載電壓、工作范圍、輸入和輸出電壓范圍、功率傳輸能力以及反激周期特性是SMPS反激變壓器設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

主要應(yīng)用

反激式轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用包括：

用于電視機(jī)和小功率高達(dá)250W的電腦。

用于電子電腦中的備用電源(低功率開關(guān)模式)。

用于手機(jī)和手機(jī)充電器。

用于高壓電源，如電視、CRT、激光、手電筒和復(fù)印設(shè)備等。

用于多輸入輸出電源。

用于隔離柵極驅(qū)動(dòng)電路。

總結(jié)

以上就是關(guān)于反激式轉(zhuǎn)換器工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、SMPS反激變壓器設(shè)計(jì)以及應(yīng)用原理等相關(guān)內(nèi)容的介紹。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，反激式轉(zhuǎn)換器廣泛應(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，它是開關(guān)電源的一種。