2.4　反激式变换器的工作原理

反激式DC/DC变换器，简称反激式变换器，英文为Flyback Converter，因此也称回扫式变换器。反激式变换器具有电路结构简单、成本低廉、输入/输出电器隔离的特点，是最常用的DC/DC变换器之一，广泛应用于小功率电子产品以及各种电器设备的待机电源中。例如手机及数码相机的充电器，笔记本电脑电源适配器，电动自行车充电器，PC机和电视机的待机电源等。

2.4.1　反激式DC/DC变换器的拓扑结构

反激式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-4-1所示。U_I为直流输入电压，T为高频变压器，其中N_P为初级绕组，N_S为次级绕组。高频变压器的初级绕组与次级绕组的极性相反，同名端位置如图中所示。VT为功率开关管，VD为输出整流二极管，C为输出滤波电容，U_O为直流输出电压，R_L为外部负载电阻。脉宽调制器（PWM）用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。

2.4.2　反激式DC/DC变换器的工作原理

反激式DC/DC变换器的功率开关管VT在脉宽调制（PWM）信号的控制下，交替地导通与关断（也称截止），相当于一个机械开关高速地闭合与断开，其工作原理如图2-4-2所示。图2-4-2（a）和图2-4-2（b）分别示出了VT导通和关断时的电流路径，为了便于电路分析，图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

当功率开关管VT导通（即S闭合）时，如图2-4-2（a）所示，输入电压U_I直接加到高频变压器初级绕组N_P的两端，使初级电流I_P线性地增加。初级绕组的感应电动势为上“+”下“-”。初级电流I_P提供的能量以磁场能量的形式存储在高频变压器中。在此期间，根据电磁感应原理，高频变压器次级绕组N_S两端的感应电压为上“-”下“+”，使输出整流二极管VD截止。同时输出滤波电容C放电，为负载R_L提供电流I_O，电容C的放电电流I₁与负载电流I_O相等。

当功率开关管VT关断（即S断开）时，如图2-4-2（b）所示，初级侧绕组电流突然中断，根据电磁感应的原理，此时在初级绕组上会产生反极性的感应电压（也称为反射电压U_OR）。同时，高频变压器次级绕组N_S也产生感应电压U_S，其极性是上“+”下“-”，因此输出整流二极管VD导通，从而产生次级绕组电流I_S（即整流二极管VD的正向电流I_F）。次级绕组电流I_S对输出滤波电容C进行充电，并向负载R_L提供电流。次级绕组电流I_S为电容充电电流I₂和负载电流I_O的总和。

反激式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-4-3所示。PWM表示脉宽调制波形，t_ON为功率开关管VT的导通时间，t_OFF为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期。U_C为功率开关管VT的集电极电压波形。I_P为初级绕组的电流波形，即VT集电极的电流波形。I_S为次级绕组的电流波形，即整流二极管VD的电流波形。U_S为次级绕组的电压波形。可以看出，当功率开关管VT导通时，其集电极电压U_C为零；在VT关断时，其集电极电压U_C将高于输入电压U_I。这是因为初级绕组产生了上“-”下“+”的反射电压U_OR[见图2-4-2（b）]，该电压与U_I叠加，使U_C变的更高。

在功率开关管VT导通期间，初级绕组电流I_P线性增加，将传输的能量以磁能的形式存储在高频变压器中，此时次级绕组电压U_S为负值；当VT关断时，初级绕组电流I_P立刻减小到零，高频变压器存储的能量则通过次级绕组释放，次级绕组感应电压U_S为上“+”下“-”[见图2-4-2（b）]，使整流二极管VD导通，从而产生次级电流I_S，即整流二极管VD的电流I_F。在VT关断期间，随着高频变压器存储能量的释放，次级电流I_S线性减小。次级绕组电压U_S的大小与U_O相等，波形如图2-4-3中的U_S所示。负载电流I_O为次级电流I_S的平均值。

反激式DC/DC变换器主要有以下特点。

① 输出电压U_O与U_I的关系为：

当N_P、N_S和U_I确定之后，可以通过调整占空比D的大小来改变输出电压。

② 功率开关管VT承受的最大电压U_CE=U_I+（N_P/N_S）U_O。

其中，（N_P/N_S）U_O就是反射电压U_OR，在交流220V输入的开关电源中，反射电压U_OR取值应在100~200V之间。通常选取为130V左右。

③ 功率开关管VT集电极的最大电流I_C=（N_S/N_P）I_O。

④ 整流二极管VD的平均电流I_F=I_O。

⑤ 整流二极管VD承受的反向电压U_R=U_O+（N_S/N_P）U_I。

⑥ 反激式DC/DC变换器设计比较灵活，只要增加次级绕组数，就可组成多路输出式DC/DC变换器，并且输出电压的极性可以和输入电压的极性相反。还可以通过改变初、次级绕组的匝数比，构成升压或降压式开关电源。

反激式DC/DC变换器不需要，也不能在输出整流二极管与滤波电容之间串联滤波电感（专门抑制高频干扰的磁珠电感除外），否则会在初级绕组上产生很高的感应电压U_OR，会造成功率开关管VT击穿损坏。