【原】Flyback反激变换器：基本结构及CCM工作原理

1、从BuckBoost到Flyback反激变换器

BuckBoost负压变换器最基本的电路结构如图1所示，如果把BuckBoost负压变换器功率MOSFET管和二极管移动到下面，电路工作状态和放在上面完全一样。

图1  BuckBoost负压变换器基本结构

图2  功率MOSFET管和二极管放置在下端

在电感现有绕组二端并绕一个匝数完全相同的绕组，也就是双线并绕（或者是相当于把原来绕组换成直径更粗的铜线），二个绕组同名端放置在同一侧，它们共用磁芯，因此，内部磁场相同、电感的感值和功能都没有发生变化，仍然等效于一个单独的电感。当功率MOSFET管开通时，二个绕组同时激励；当功率MOSFET管关断时，二个绕组同时去磁。

图3  电感并绕二个绕组

然后，把二个绕组的连接断开，分开为初级绕组Np和次级绕组Ns,初级绕组NP和功率MOSFET管连接，次级绕组NS和二极管连接，如图4所示。

图4  电感二个绕组分开

功率MOSFET管开通时，绕组NP激磁，绕组NS不工作；功率MOSFET管关断，绕组NP不工作，绕组NP去磁，相当于二个绕组分担不同工作，一个激磁、一个去磁，电路总电流与绕组没有分开连接的电路的总电流仍然相同，只是电流在绕组中分配的方式不同。调整一下次级回路，把输出整流二极管和次级绕组同名端放到上面，如图5所示，这种结构组成了最基本的反激变换器。

图5  反激变换器原理图

反激变换器的变压器工作方式和普通变压器不一样，工作时，电流不会同时流过二个绕组；而且，反激变压器具有储能和传输能量的双重作用。开关管导通时，初级绕组激磁，存储能量，次级回路不导通。开关管关断后，次级回路二极管导通，初级绕组存储的能量通过次级绕组去磁而向负载释放能量。

2、Flyback反激变换器连续工作模式CCM

初级NP与次级绕组NS使用不同匝数，匝比n=NP:NS，如图6所示，就是常用的最基本的反激变换器主电路。变压器初级激（励）磁电感为Lm，初级漏感为Llk，初级电感Lp=Lm+Llk。

图6  反激变换器主电路

假定：反激变换器工作在稳定状态，变压器初级电感电流为iLpm，处于连续导通模式CCM状态，即：每一个开关周期开始时，电流iLp从一定的初始值ILp(min)开始激磁工作，每一个开关周期结束，电流iLp回到初始值ILp(min)。开关管Q、二极管D、Lp和滤波电容均为理想元件，滤波电容的电容值足够大，输入电压纹波和输出电压纹波都很小，输入电压Vin和输出电压Vo保持稳定不变，SW为开关管和变压器连接点，称为开关节点，电压为VDS。变压器初级绕组NP和次级绕组NS匝比为n:1，先忽略漏感。

(a)  开关管Q开通

 (b)  开关管Q关断

图7  反激变换器CCM工作等效电路

（1）开关管Q开通，二极管D关断

当t=0时，iLp=ILp(min)，开关管Q开通，二极管D的阳极电压为-Vin/n，阴极电压为Vo，二极管D两端电压反向偏置，处于截止；变压器初级电感Lp上方电压为Vin，下方为电压为0，VLp=Vin，加在电感两端电压为正向电压，电感激磁，iLp从初始值ILp(min)随时间线性增加，电感储存能量。

在t=ton时刻，开关管Q关断，iLp达到最大值ILp(max)。

开关管Q导通期间，二极管D承受反向电压处于截止状态。此时，输入电源并不向输出负载传输能量，因此，输出负载Ro所需要的能量全部由输出电容Co提供。

（2）开关管Q关断，二极管D开通

开关管Q关断后，iLp不能突变，要保持原来大小和方向，iLp通过NP形成续流回路，电流在NP从下向上流过。根据同名端特性，电流从NP下方同名端流进，就要从NS上方同名端流出，因此，输出二极管D自然导通续流，次级绕组电流iNs从二极管D流过，二极管D两端电压处于正向偏置。忽略输出二极管的正向压降，次级绕组电压VNs=Vo，上正下负；VNs电压反射到初级绕侧，VNp= -n·Vo,VDS=Vin + n·Vo，加在变压器初级电感的电压方向上负下正，为反向电压，电感去磁，iLp从最大值ILp(max)随时间线性下降，电感向输出负载释放能量。

这一阶段时间起点从ton开始，当t=ton，iLp=ILp(max)，得到：

开关管Q保持关断时间为toff，在ton+toff=TS时刻，iLp电流从最大值ILp(max)降低到初始最小值ILp(min)，开关管Q再次开通，上一个开关周期结束，下一个开关周期开始，重复以上过程，如此反复。

输出二极管D导通后，储存在变压器初级绕组（电感）能量通过变压器向输出负载释放能量。

3、电感电流连续导通模式CCM工作波形

电感电流连续导通模式CCM，相关参数的工作波形如图8所示，实际测量工作波形如图9所示。

图8  反激变换器CCM波形

图9  反激变换器CCM实际测量工作波形

反激变换器开关管导通期间，输出电容Co放电，提供全部所需负载电流。开关端关断期间，输出电容Co充电，电感同时提供所需负载电流和电容充电电流。每个开关周期中，电容充放电过程满足电荷平衡。

4、反激变换器CCM模式相关参数计算

（1）输入电压Vin和输出电压Vo关系

反激变换器在连续导通模式CCM下稳态工作时，每个开关周期，根据变压器初级电感的伏秒值平衡，可以得到：

反激变换器有变压器，输出可以升压，也可以降压。

（2）变压器电感电流纹波

变压器初级电感电流纹波为：

输入电流Iin等于开关管Q的电流平均值IQ：

输出电流Io等于输出二极管D的电流平均值ID：

忽略变换器功率损耗，输入功率Pin等于输出功率Po。

（3）连续模式工作的最小变压器电感

输出负载电流为Io，对应输出梯形波斜边中点电流值Ioc为：

图10  反激变换器CCM工作的电流波形

反射到初级梯形波斜边中点电流值Ipc为：

保持反激变换器工作在连续模式，必须满足：

因此：

工作在连续工作模式反激变换器的变压器初级最小电感为：

连续工作模式变压器初级最小电感与输出负载相关，通常，不可能保证在整个输出负载变化的范围内，变换器都工作在连续模式，可以取30%-50%的最大输出负载电流值作为设计的临界点。