反激式(Flyback)變壓器又稱單端反激式或Buck-Boost轉(zhuǎn)換器。因其輸出端在原邊繞組斷開電源時(shí)獲得能量故而得名。反激式變換器以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉而深受廣大開發(fā)工程師的喜愛。反激式變壓器適合小功率電源以及各種電源適配器。但是反激式變換器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是變壓器的設(shè)計(jì)，因?yàn)檩斎腚妷悍秶鷮挘貏e是在低輸入電壓，滿負(fù)載條件下變壓器會(huì)工作在連續(xù)電流模式，而在高輸入電壓，輕負(fù)載條件下變壓器又會(huì)工作在不連續(xù)電流模式。

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。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。

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。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。

高壓大功率反激變壓器是電力工程領(lǐng)域應(yīng)用于雷電上行先導(dǎo)模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，屬于能源技術(shù)范疇，外文名High voltage high power reverse excitation transformer。其作用為解決新型沖擊電壓發(fā)生裝置構(gòu)建中變壓器的物理實(shí)現(xiàn)問題，主要結(jié)構(gòu)包括磁芯結(jié)構(gòu)和繞組結(jié)構(gòu) [1]。該變壓器采用反激變換拓?fù)?，工作參?shù)包括輸出電壓峰值25kV、最大電壓上升率40kV/ms，磁芯選用鐵基非晶合金材料并設(shè)計(jì)為帶集中切口氣隙的跑道環(huán)形結(jié)構(gòu)，繞組采用高、低壓同心單層繞制以減少漏磁。通過研制樣機(jī)驗(yàn)證，其輸出電壓峰值達(dá)到23.5kV，最大上升率滿足40kV/ms設(shè)計(jì)要求，證實(shí)了電磁設(shè)計(jì)方案的有效性 [1]。

實(shí)驗(yàn)室條件下利用長(zhǎng)空氣間隙放電開展雷電上行先導(dǎo)模擬試驗(yàn)研究，需要在間隙上施加波前由緩變陡近似呈單調(diào)指數(shù)上升的MV級(jí)沖擊電壓波形，以準(zhǔn)確模擬雷電先導(dǎo)自云端向大地發(fā)展過程中地面物體附近電場(chǎng)的時(shí)域變化特征。傳統(tǒng)的Marx型沖擊電壓發(fā)生器只能輸出雙指數(shù)波形而無法滿足電場(chǎng)等效模擬的要求。

在現(xiàn)代電力電子技術(shù)和高壓大功率電力電子器件快速發(fā)展的背景下，利用電容可控充電方法實(shí)時(shí)控制容性負(fù)載的電壓爬升過程以構(gòu)建新型原理的MV級(jí)沖擊電壓發(fā)生裝置，使雷電上行先導(dǎo)試驗(yàn)中電場(chǎng)時(shí)變特征等效模擬問題的解決成為現(xiàn)實(shí)。

據(jù)此，新型沖擊電壓發(fā)生裝置的核心電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制和輸入輸出隔離的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率電容可控充電功能。電路采用了開關(guān)電源中常見的反激變換拓?fù)?，但與開關(guān)電源穩(wěn)壓輸出要求不同的是，其輸出目標(biāo)是通過控制容性負(fù)載充電過程以獲得波前連續(xù)可控的沖擊電壓。

電路最高輸出電壓幾十kV、最大輸出功率達(dá)上百kW、開關(guān)周期最大充電能量可達(dá)數(shù)，這些參數(shù)比開關(guān)電源的要求至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。反激變壓器作為反激變換拓?fù)渲械年P(guān)鍵元件，在電路中承擔(dān)能量藕合傳遞的重要功能。為基于該拓?fù)潆娐纷罱K構(gòu)建新型沖擊電壓發(fā)生裝置，需要針對(duì)高壓大功率電容可控充電的電路應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)研究反激變壓器的電磁結(jié)構(gòu)問題 [1]。

能量傳遞方式的本質(zhì)差異

1. 正激變換器變壓器：

- 功能單一：僅作為能量傳遞媒介，初級(jí)繞組通電時(shí)，次級(jí)繞組同步輸出能量，輸入輸出通過變壓器直接耦合。

- 典型拓?fù)涫纠簡(jiǎn)喂苷?需復(fù)位繞組或RCD復(fù)位電路)、雙管正激(利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位)。

- 功率范圍：適用于中高功率(通常100W-1kW)，效率可達(dá)90%以上(參考IEEE Transactions on Power Electronics)。

2. 反激變換器變壓器：

- 雙重功能：既是變壓器又是儲(chǔ)能電感。初級(jí)繞組通電時(shí)儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)通過次級(jí)釋放能量，實(shí)現(xiàn)“先存后放”。

- 典型拓?fù)涫纠焊綦x式反激(常見于適配器、LED驅(qū)動(dòng))，無需額外復(fù)位電路。

- 功率范圍：適合小功率(通常<100W)，效率約80-85%(數(shù)據(jù)來源：Texas Instruments應(yīng)用手冊(cè))。

磁芯復(fù)位機(jī)制的關(guān)鍵區(qū)別

1. 正激變換器：

- 必須強(qiáng)制復(fù)位：因磁通單向積累，需通過復(fù)位繞組、RCD電路或主動(dòng)鉗位等方式泄放剩余能量。例如，RCD復(fù)位電路中，復(fù)位電容電壓需設(shè)計(jì)為輸入電壓的1.5-2倍(參考《開關(guān)電源設(shè)計(jì)》第三版)。

- 磁芯利用率低：復(fù)位期間變壓器不工作，占空比通常限制在50%以內(nèi)。

2. 反激變換器：

- 自動(dòng)復(fù)位：通過次級(jí)繞組電流自然復(fù)位磁芯，無需額外電路。關(guān)斷期間，磁能全部轉(zhuǎn)移至負(fù)載。

- 磁芯利用率高：可工作于不連續(xù)(DCM)或連續(xù)模式(CCM)，占空比可超過50%。

應(yīng)用場(chǎng)景與設(shè)計(jì)權(quán)衡

1. 正激變換器的優(yōu)勢(shì)場(chǎng)景：

- 高功率密度需求：如服務(wù)器電源、工業(yè)電源。

- 低紋波要求：輸出濾波電感可進(jìn)一步平滑電流。

2. 反激變換器的優(yōu)勢(shì)場(chǎng)景：

- 低成本方案：元件數(shù)量少，如手機(jī)充電器(成本可降低20-30%)。

- 多路輸出：通過多繞組實(shí)現(xiàn)，如電視待機(jī)電源(±12V、5V多路輸出)。

擴(kuò)展討論：設(shè)計(jì)中的隱性成本

- 正激變換器：復(fù)位電路增加復(fù)雜性和成本，但適合對(duì)可靠性要求高的場(chǎng)景。

- 反激變換器：需考慮漏感影響(通常占初級(jí)電感的5-10%，參考Infineon技術(shù)文檔)，需優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)以減少損耗。

總結(jié)：兩者選擇取決于功率等級(jí)、成本預(yù)算及效率目標(biāo)。正激適合高壓大電流，反激勝在簡(jiǎn)單靈活，理解其變壓器功能差異是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。