反激式变压器适合小功率电源以及各种电源适配器。但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计，因为输入电压范围宽，特别是在低输入电压，满负载条件下变压器会工作在连续电流模式，而在高输入电压，轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式。
基本原理
当开关晶体管tr ton时,变压器初级np有电流 ip,并将能量储存于其中(e = lpip / 2).由于np与ns极性相反,此时二极管d反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关tr off 时,由楞次定律: (e = -n△φ/△t)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管d正向导通,负载有电流il流通.反激式转换器之稳态波形
导通时间 ton的大小将决定ip、vce的幅值:
vce max = vin / 1-dmax
vin: 输入直流电压 ; dmax : 工作周期
dmax = ton / t
由此可知,想要得到低的集电极电压,必须保持低的dmax,也就是dmax<0.5,在实际应用中通常取dmax = 0.4,以限制vcemax ≦ 2.2vin.
开关管tr on时的集电极工作电流ie,也就是原边峰值电流ip为: ic = ip = il / n. 因il = io,故当io一定时,匝比 n的大小即决定了ic的大小,上式是按功率守恒原则,原副边安匝数 相等 npip = nsis而导出. ip亦可用下列方法表示:
ic = ip = 2po / (η*vin*dmax)η: 转换器的效率
公式导出如下:
输出功率 : po = lip2η / 2t
输入电压 : vin = ldi / dt设 di = ip,且 1 / dt = f / dmax,则:
vin = lipf / dmax 或 lp = vin*dmax / ipf
则po又可表示为 :
po = ηvinf dmaxip2 / 2f ip = 1/2ηvindmaxip
∴ip = 2po / ηvindmax
上列公式中 :
vin : 小直流输入电压 (v)
dmax : 导通占空比
lp : 变压器初级电感 (mh)
ip : 变压器原边峰值电流 (a)
f : 转换频率 (khz)
工作方式
反激式变压器一般工作于两种工作方式 :
1. 电感电流不连续模式dcm (discontinuous inductor current mode)或称 " 完全能量转换 ": ton时储存在变压器中的所有能量在反激周期 (toff)中都转移到输出端.
2. 电感电流连续模式ccm ( continuous inductor current mode) 或称 " 不完全能量转换 " : 储存在变压器中的一部分能量在toff末保留到下一个ton周期的开始.
dcm和ccm在小信号传递函数方面是极不相同的,其波形如图3.实际上,当变换器输入电压vin 在一个较大范围内发生变化,或是负载电流 il在较大范围内变化时,必然跨越着两种工作方式.因此反激式转换器要求在dcm / ccm都能稳定工作.但在设计上是比较困难的.通常我们可以以dcm / ccm临界状态作设计基准.,并配以电流模式控制pwm.此法可有效解决dcm时之各种问题,但在 ccm时无消除电路固有的不稳定问题.可用调节控制环增益编离低频段和降低瞬态响应速度来解决ccm时因传递函数 " 右半平面零点 "引起的不稳定.
dcm和ccm在小信号传递函数方面是极不相同的.
dcm / ccm原副边电流波形图
实际上,当变换器输入电压vin在一个较大范围内发生变化,或是负载电流 il在较大范围内变化时,必然跨越着两种工作方式.因此反激式转换器要求在dcm / ccm都能稳定工作.但在设计上是比较困难的.通常我们可以以dcm / ccm临界状态作设计基准.,并配以电流模式控制pwm.此法可有效解决dcm时之各种问题,但在ccm时无消除电路固有的不稳定问题.可用调节控制环增益编离低频段和降低瞬态响应速度来解决ccm时因传递函数 " 右半平面零点 "引起的不稳定.
在稳定状态下,磁通增量δφ在ton时的变化必须等于在"toff"时的变化,否则会造成磁芯饱和.
因此,
δφ = vin ton / np = vs*toff / ns
即变压器原边绕组每匝的伏特/秒值必须等于副边绕组每匝伏特/秒值.
比较图3中dcm与ccm之电流波形可以知道:dcm状态下在tr ton期间,整个能量转移波形中具有较高的原边峰值电流,这是因为初级电感值lp相对较低之故,使ip急剧升高所造成的负面效应是增加了绕组损耗(winding lose)和输入滤波电容器的涟波电流,从而要求开关晶体管必须具有高电流承载能力,方能安全工作.
在ccm状态中,原边峰值电流较低,但开关晶体在ton状态时有较高的集电极电流值.因此导致开关晶体高功率的消耗.同时为达成ccm,就需要有较高的变压器原边电感值lp,在变压器磁芯中所储存的残余能量则要求变压器的体积较dcm时要大,而其它系数是相等的.
综上所述,dcm与ccm的变压器在设计时是基本相同的,只是在原边峰值电流的定义有些区别 ( ccm时 ip = imax - imin ).