反激式变压器开关电源输出整流二极管工作原理分析详解

　　反激式变压器开关电源

　　反激式变压器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用最广

　　反激式开关电源输出整流滤波电路原理上是最简单的。但是，由于反激式开关电源的能量传递必须通过变压器转换实现，并压器的初次级两侧的开关（MOSFET或整流二极管）均工作在电流断续状态。在相同输出功率条件下，反激式开关电源的开关流过的电流峰值和有效值大于正激式、桥式、推挽式开关电源。为了获得更低的输出电压尖峰，通常的反激式开关电源工作在电感电流（变压器储能）断续状态，这就进一步增加了开关元件的电流额定。

　　开关电源的电路拓扑对输出整流滤波电容器影响也是非常大的，由于反激式开关电源的输出电流断续性，其交流分量需要由输出整流滤波电容器吸收，当电感电流断续时输出整流滤波电容器的需要吸收的纹波电流相对最大。

　　对应的输出整流二极管的电流波形如图1，输出滤波电容器的电流波形如图2。

　

　　由图1可以得到流过输出整流二极管电流峰值与平均值、有效值的关系为如下。

　　流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系：

　　 （1）

　　流过输出整流器的有效值电流与峰值值电流的关系：

　　 （2）

　　流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系：

　　 （3）

　　式中：IrecM、Irecrms、IO、Dmax分别为流过输出整流器的峰值电流、有效值电流、平均值电流和输出整流二极管的最大导通占空比。

　　流过输出滤波电容器的电流有效值略小于流过输出整流器的有效值电流。

　　式（1）、（2）、（3）表明，随着输出整流器导通占空比的减小，相同输出电流平均值对应道德峰值电流、有效值电流随占空比的减小而增加。

　　在大多数情况下，反激式开关电源工作在变压器电流临界或断续状态。在变压器电流临界状态下，初级侧开关管导通占空比与输出整流器导通占空比相加为1。

　　在大多数情况下，反激式开关电源的输出整流器的最大导通占空比约为0.5。这样，流过输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系为：

　　 （4）

　　有效值电流于输出电流平均值的关系为：

　　 （5）

　　反激式变压器开关电源工作原理

　　所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

　　图1-19-a是反激式变压器开关电源的简单工作原理图，图1-19-a中，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。图1-19-b是反激式变压器开关电源的电压输出波形。

　　把图1-19-a与图1-16-a进行比较，如果我们把图1-16-a中开关变压器次级线圈的同名端对调一下，原来变压器输出电压的正、负极性就会完全颠倒过来，图1-19-b所示的电压输出波形基本上就是从图1-16-b的波形颠倒过来的。不过，因为图1-16-b的波形对应的是纯电阻负载，而图1-19-b的负载是一个储能滤波电容和一个电阻并联。由于储能滤波电容的容量很大，其两端电压基本不变，变压器次级线圈输出电压uo相当于被整流二极管和输出电压Uo进行限幅，因此，图1-16-b中输出电压uo的脉冲尖峰完全被削除，被限幅后的剩余电压幅值正好等于输出电压Uo的最大值Up，同时也等于变压器次级线圈输出电压uo的半波平均值Upa。

　　下面我们来详细分析反激式变压器开关电源的工作过程

　　图1-19-a中，在控制开关K接通的Ton期间，输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电，初级线圈N1绕组有电流i1流过，在N1两端产生自感电动势的同时，在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势，但由于整流二极管的作用，没有产生回路电流。相当于变压器次级线圈开路，变压器次级线圈相当于一个电感。因此，流过变压器初级线圈N1绕组的电流就是变压器的励磁电流，变压器初级线圈N1绕组两端产生自感电动势可由下式表示：

　　e1 = L1di/dt = Ui —— K接通期间 （1-98）

　　或

　　e1 = N1dф/dt = Ui —— K接通期间 （1-99）

　　上式中，e1为变压器初级线圈N1绕组产生的自感电动势，L1是变压器初级线圈N1绕组的电感，N1为变压器初级线圈N1绕组线圈绕组的匝数， ф为变压器铁心中的磁通。对（1-98）和（1-99）式进行积分，由此可求得：

　　i1 =Ui*t/L1 ＋i（0） —— K接通期间 （1-100）

　　ф=Ui*t/N1 ＋ф （0） —— K关断瞬间 （1-101）

　　上式中，i1是流过变压器初级线圈N1绕组的电流， ф为变压器铁心中的磁通；i1（0）为变压器初级线圈中的初始电流，即：控制开关刚接通瞬间流过变压器初级线圈N1绕组的电流； ф（0）为初始磁通，即：控制开关刚接通瞬间变压器铁心中的磁通。当开关电源工作于输出临界连续电流状态时，这里的i1（0）正好0，而 ф（0）正好等于剩磁通S•Br。当控制开关K将要关断，且开关电源工作于输出电流临界连续状态时，i1和 均达到最大值：

　　i1m =Ui*Ton/L1 —— K关断瞬间 （1-102）

　　Фm=Ui*Ton/N1 ＋S•Br = S•Bm —— K关断瞬间 （1-103）

　　（1-102）、（1-103）式中，i1m为流过变压器初级线圈N1绕组的最大电流，即：控制开关关断瞬间前流过变压器初级线圈N1绕组的电流； фm为变压器铁心中的最大磁通，即：控制开关关断瞬间前变压器铁心中的磁通，S为变压器铁心导磁面积，Br为剩余磁感应强度，Bm为最大磁感应强度。

　　当控制开关K由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流i1突然为0，这意味着变压器铁心中的磁通ф 也要产生突变，这是不可能的，如果变压器铁心中的磁通ф 产生突变，变压器初、次级线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势又会产生无限大的电流，而电流又会抵制磁通的变化，因此，变压器铁心中的磁通变化最终还是要受到变压器初、次级线圈中的电流来约束的。

　　因此，在控制开关K关断的Toff期间，变压器铁心中的磁通 主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定，即：

　　e2 =－L2di2/dt = uo —— K关断期间 （1-104）

　　或

　　e2 =－N2dф/dt = uo —— K关断期间 （1-105）

　　上式中，e2为变压器次级线圈N2绕组产生的感电动势，L2是变压器次级线圈N2绕组的电感，N2为变压器初级线圈N2绕组线圈绕组的匝数， ф为变压器铁心中的磁通，uo为变压器次级线圈N2绕组的输出电压。由于反激式变压器开关电源的变压器次级线圈N2绕组的输出电压都经过整流滤波，而滤波电容与负载电阻的时间常数非常大，因此，整流滤波输出电压Uo基本就等于uo的幅值Up。

　　对（1-104）和（1-105）式进行积分，并把uo用Uo代之，即可求得：

　　i2 = －Uo*t/L2 ＋i2（0） —— K关断期间 （1-106）

　　ф = －Uo*t/N2 ＋ф （0） —— K关断期间 （1-107）

　　式中，i2是流过变压器次级线圈N2绕组的电流， 为变压器铁心中的磁通；i2（0）为变压器次级线圈N2绕组的初始电流，ф（0）为初始磁通。实际上，i2（0）正好等于控制开关刚断开瞬间流过变压器初级线圈N1绕组的电流被折算到次级绕组回路的电流，即：i2（0） = i1m/n ；而ф （0）正好等于控制开关刚断开瞬间变压器铁心中的磁通，即：ф（0） = S•Bm 。当控制开关K将要关断时，i2和ф均达到最小值。即：

　　i2x = －Uo*Toff/L2 ＋i1m/n —— K关断期间 （1-108）

　　фx =－Uo*Toff/N2 ＋S•Bm —— K关断期间 （1-109）

　　（1-108）式中，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。当开关电源工作于电流临界连续工作状态时，（1-108）式中的i2x等于0，而（1-109）式中的 фx等于S•Br 。

　　由（1-102）式和（1-108）式，或者（1-103）式和（1-109）式，并注意到，变压器次级线圈与初级线圈的电感量之比正好等于n2（n平方） ，就可以求得反激式变压器开关电源的输出电压为：

　　

　　（1-110）式中，Uo为反激式变压器开关电源的输出电压，Ui变压器初级线圈输入电压，D为控制开关的占空比，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

　　这里还需提请注意，在决定反激式开关电源输出电压的（1-110）式中，并没有使用反激输出电压最大值或峰值Up-的概念，而式使用的 正好是正击式输出电压的峰值Up，这是因为反激输出电压的最大值或峰值Up-计算比较复杂（（1-68）式），并且峰值Up-的幅度不稳定，它会随着输出负载大小的变化而变化；而正击式输出电压的峰值Up则不会随着输出负载大小的变化而变化。

　　顺便指出，在控制开关K关断的Toff期间，变压器铁心中的磁通 主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定，这就相当于流过变压器次级线圈中的电流所产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。

　　由于控制开关突然关断，流过变压器初级线圈的励磁电流突然为0，此时，流过变压器次级线圈中的电流就正好接替原来变压器初级线圈中励磁电流的作用，使变压器铁心中的磁感应强度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置，即：流过N3绕组电流是由最大值逐步变化到0的。由此可知，反激式变压器开关电源在输出功率的同时，流过次级线圈回路中的电流也在对变压器铁心进行退磁。

　　图1-20是反激式变压器开关电源，工作于临界连续电流状态时，整流输入电压uo、负载电流Io，变压器铁芯的磁通 ，以及变压器初、次级电流等波形。

　　图1-20-a）中，变压器次级线圈输出电压uo是一个带正负极性的脉冲波形，一般负半周是一个很规整的矩形波；而正半周，由于输出脉冲被整流二极管限幅，当开关电源工作于连续电流或临界连续电流状态时，输出波形基本也是矩形波。因此，整流二极管的输入电压uo的正半周幅度与输出电压Uo或储能滤波电容的两端电压基本相同。因此，整流二极管的输入电压uo的幅值Up与半波平均值Upa以及整流输出电压Uo均基本相等。

　　图1-20-b）是变压器铁芯中磁通量变化的过程，在控制开关接通期间，变压器铁芯被磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被退磁。因此，在Ton期间，变压器铁芯中的磁通量是由剩磁S•Br向最大磁通S•Bm方向变化；而在Toff期间，变压器铁芯中的磁通量是由最大磁通S•Bm向剩磁S•Br方向变化。

　　图1-20-c），是反激式变压器开关电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈的电流波形。图中，i1为流过变压器初级线圈中的电流，i2为流过变压器次级线圈中的电流（虚线所示），Io是流过负载的电流（虚线所示）。在控制开关接通期间，变压器铁芯被初级线圈电流磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被被次级线圈电流退磁，并向负载输出电流。从图1-20-c）还可以看出，流过变压器初、次级线圈中的电流是可以突跳的。在控制开关关断的一瞬间，流过变压器初级线圈的电流由最大值跳变到0，而在同一时刻，流过变压器次级线圈的电流由0跳变到最大值。并且，变压器初级线圈电流的最大值正好等于变压器次级线圈电流最大值的n倍（n为变压器次级电压与初级电压比）。

　　顺便指出：（1-110）的结果，虽然是以开关电源工作于临界连续电流状态的条件求得，但对于开关电源工作于连续电流状态或断流状态也同样成立，因为，在储能滤波电容的容量足够大的情况下，输出电压Uo只取决于其峰值电压Up，而不是取决于其平均值。

　　当开关电源工作于电流不连续状态时，即：控制开关的占空比减小时，（1-100）式中的i（0）和（1-108）式中的i2x均为0 ，并且在控制开关关断期间还没结束前，流过变压器次级线圈的电流就已降到0，这相当于开关电源输出电压和输出电流都要降低，在此种情况下，开关电源将会向负载降低功率输出。

　　当开关电源工作于连续电流状态时，即：控制开关的占空比增大时，（1-100）式中的i（0）不能为0，（1-108）式中的i2x也不能为0 ，这相当于输出电压和输出电流都相应增加，在此种情况下，开关电源将会向负载提供更大的功率输出。

　　

　　图1-21是反激式变压器开关电源，工作于电流不连续状态时，整流二极管的输入电压uo，负载电流Io和变压器铁芯中的磁通 ，以及变压器初、次级电流等波形。

　　

　　图1-22是反激式变压器开关电源，工作于连续电流状态时，整流二极管的输入电压uo、负载电流Io和变压器铁芯中的磁通 ，以及变压器初、次级电流等波形。

　　由此可知，反激式变压器开关稳压电源就是通过改变控制开关的占空比来调节开关电源的输出电压和对储能滤波电容的充、放电电流来达到稳定电压输出的。

　　

　　这里还需特别指出：上面分析全部都是假定开关电源输出电压Uo相对不变情况下的结果，实际上，当于开关电源刚开始工作的时候，即：储能滤波电容刚开始充电的时候，开关电源输出电压Uo也是在变化的，但输出电压很快就由某个初始值过渡到某个稳定值，然后又由某个初始值（上一个稳定值）又过渡到下一个稳定值……。因此，我们把开关电源电路中，电压或电流由某个初始值过渡到某个稳定值的过程，称为开关电源电路的过渡过程。