1、從BuckBoost到Flyback反激變換器

BuckBoost負(fù)壓變換器最基本的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，如果把BuckBoost負(fù)壓變換器功率MOSFET管和二極管移動(dòng)到下面，電路工作狀態(tài)和放在上面完全一樣。

圖1 BuckBoost負(fù)壓變換器基本結(jié)構(gòu)

圖2 功率MOSFET管和二極管放置在下端

在電感現(xiàn)有繞組二端并繞一個(gè)匝數(shù)完全相同的繞組，也就是雙線并繞

（或者是相當(dāng)于把原來(lái)繞組換成直徑更粗的銅線

），二個(gè)繞組同名端放置在同一側(cè)，它們共用磁芯，因此，內(nèi)部磁場(chǎng)相同、電感的感值和功能都沒(méi)有發(fā)生變化，仍然等效于一個(gè)單獨(dú)的電感。當(dāng)功率MOSFET管開(kāi)通時(shí)，二個(gè)繞組同時(shí)激勵(lì)；當(dāng)功率MOSFET管關(guān)斷時(shí)，二個(gè)繞組同時(shí)去磁。

圖3 電感并繞二個(gè)繞組

然后，把二個(gè)繞組的連接斷開(kāi)，分開(kāi)為初級(jí)繞組Np和次級(jí)繞組Ns,初級(jí)繞組NP和功率MOSFET管連接，次級(jí)繞組NS和二極管連接，如圖4所示。

圖4 電感二個(gè)繞組分開(kāi)

功率MOSFET管開(kāi)通時(shí)，繞組NP激磁，繞組NS不工作；功率MOSFET管關(guān)斷，繞組NP不工作，繞組NP去磁，相當(dāng)于二個(gè)繞組分擔(dān)不同工作，一個(gè)激磁、一個(gè)去磁，電路總電流與繞組沒(méi)有分開(kāi)連接的電路的總電流仍然相同，只是電流在繞組中分配的方式不同。調(diào)整一下次級(jí)回路，把輸出整流二極管和次級(jí)繞組同名端放到上面，如圖5所示，這種結(jié)構(gòu)組成了最基本的反激變換器。

圖5 反激變換器原理圖

反激變換器的變壓器工作方式和普通變壓器不一樣，工作時(shí)，電流不會(huì)同時(shí)流過(guò)二個(gè)繞組；而且，反激變壓器具有儲(chǔ)能和傳輸能量的雙重作用。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組激磁，存儲(chǔ)能量，次級(jí)回路不導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，次級(jí)回路二極管導(dǎo)通，初級(jí)繞組存儲(chǔ)的能量通過(guò)次級(jí)繞組去磁而向負(fù)載釋放能量。

2、Flyback反激變換器連續(xù)工作模式CCM

初級(jí)NP與次級(jí)繞組NS使用不同匝數(shù)，匝比n=NP:NS，如圖6所示，就是常用的最基本的反激變換器主電路。變壓器初級(jí)激（勵(lì)）磁電感為L(zhǎng)m，初級(jí)漏感為L(zhǎng)lk，初級(jí)電感Lp=Lm+Llk。

圖6 反激變換器主電路

假定：反激變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，變壓器初級(jí)電感電流為iLpm，處于連續(xù)導(dǎo)通模式CCM狀態(tài)，即：每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，電流iLp從一定的初始值ILp(min)開(kāi)始激磁工作，每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，電流iLp回到初始值ILp(min)。開(kāi)關(guān)管Q、二極管D、Lp和濾波電容均為理想元件，濾波電容的電容值足夠大，輸入電壓紋波和輸出電壓紋波都很小，輸入電壓Vin和輸出電壓Vo保持穩(wěn)定不變，SW為開(kāi)關(guān)管和變壓器連接點(diǎn)，稱為開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，電壓為VDS。變壓器初級(jí)繞組NP和次級(jí)繞組NS匝比為n:1，先忽略漏感。

(a) 開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通

(b) 開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷

圖7 反激變換器CCM工作等效電路

（1）開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通，二極管D關(guān)斷

當(dāng)t=0時(shí)，iLp=ILp(min)，開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通，二極管D的陽(yáng)極電壓為-Vin/n，陰極電壓為Vo，二極管D兩端電壓反向偏置，處于截止；變壓器初級(jí)電感Lp上方電壓為Vin，下方為電壓為0，VLp=Vin，加在電感兩端電壓為正向電壓，電感激磁，iLp從初始值ILp(min)隨時(shí)間線性增加，電感儲(chǔ)存能量。

在t=ton時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，iLp達(dá)到最大值ILp(max)。

開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通期間，二極管D承受反向電壓處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，輸入電源并不向輸出負(fù)載傳輸能量，因此，輸出負(fù)載Ro所需要的能量全部由輸出電容Co提供。

（2）開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，二極管D開(kāi)通

開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷后，iLp不能突變，要保持原來(lái)大小和方向，iLp通過(guò)NP形成續(xù)流回路，電流在NP從下向上流過(guò)。根據(jù)同名端特性，電流從NP下方同名端流進(jìn)，就要從NS上方同名端流出，因此，輸出二極管D自然導(dǎo)通續(xù)流，次級(jí)繞組電流iNs從二極管D流過(guò)，二極管D兩端電壓處于正向偏置。忽略輸出二極管的正向壓降，次級(jí)繞組電壓VNs=Vo，上正下負(fù)；VNs電壓反射到初級(jí)繞側(cè)，VNp= -n·Vo,VDS=Vin + n·Vo，加在變壓器初級(jí)電感的電壓方向上負(fù)下正，為反向電壓，電感去磁，iLp從最大值ILp(max)隨時(shí)間線性下降，電感向輸出負(fù)載釋放能量。

這一階段時(shí)間起點(diǎn)從ton開(kāi)始，當(dāng)t=ton，iLp=ILp(max)，得到：

開(kāi)關(guān)管Q保持關(guān)斷時(shí)間為toff，在ton+toff=TS時(shí)刻，iLp電流從最大值ILp(max)降低到初始最小值ILp(min)，開(kāi)關(guān)管Q再次開(kāi)通，上一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，重復(fù)以上過(guò)程，如此反復(fù)。

輸出二極管D導(dǎo)通后，儲(chǔ)存在變壓器初級(jí)繞組（電感）能量通過(guò)變壓器向輸出負(fù)載釋放能量。

3、電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式CCM工作波形

電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式CCM，相關(guān)參數(shù)的工作波形如圖8所示，實(shí)際測(cè)量工作波形如圖9所示。

圖8 反激變換器CCM波形

圖9 反激變換器CCM實(shí)際測(cè)量工作波形

反激變換器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，輸出電容Co放電，提供全部所需負(fù)載電流。開(kāi)關(guān)端關(guān)斷期間，輸出電容Co充電，電感同時(shí)提供所需負(fù)載電流和電容充電電流。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電容充放電過(guò)程滿足電荷平衡。

4、反激變換器CCM模式相關(guān)參數(shù)計(jì)算

（1）輸入電壓Vin和輸出電壓Vo關(guān)系

反激變換器在連續(xù)導(dǎo)通模式CCM下穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，根據(jù)變壓器初級(jí)電感的伏秒值平衡，可以得到：

反激變換器有變壓器，輸出可以升壓，也可以降壓。

（2）變壓器電感電流紋波

變壓器初級(jí)電感電流紋波為：

輸入電流Iin等于開(kāi)關(guān)管Q的電流平均值IQ：

輸出電流Io等于輸出二極管D的電流平均值ID：

忽略變換器功率損耗，輸入功率Pin等于輸出功率Po。

（3）連續(xù)模式工作的最小變壓器電感

輸出負(fù)載電流為Io，對(duì)應(yīng)輸出梯形波斜邊中點(diǎn)電流值Ioc為：

圖10 反激變換器CCM工作的電流波形

反射到初級(jí)梯形波斜邊中點(diǎn)電流值Ipc為：

保持反激變換器工作在連續(xù)模式，必須滿足：

因此：

工作在連續(xù)工作模式反激變換器的變壓器初級(jí)最小電感為：

連續(xù)工作模式變壓器初級(jí)最小電感與輸出負(fù)載相關(guān)，通常，不可能保證在整個(gè)輸出負(fù)載變化的范圍內(nèi)，變換器都工作在連續(xù)模式，可以取30%-50%的最大輸出負(fù)載電流值作為設(shè)計(jì)的臨界點(diǎn)。