正激式开关电源（Forward Converter）是一种广泛应用的隔离型开关电源拓扑。其核心原理是利用变压器实现输入输出电压的隔离和变换，并通过功率开关管（如MOSFET）的周期性通断来控制能量传输。与反激式变换器不同，正激式在开关管导通时，能量同时通过变压器传递到次级侧。

以下是其详细工作原理和关键特点：

1. 核心电路结构 (简化模型)：

   • 输入部分： 直流输入电压 Vin。
   • 功率开关管 (Q1)： 通常为MOSFET，受控于PWM控制器，周期性地导通和关断。
   • 变压器 (T1)：
     • 初级绕组 (Np)：连接在开关管和输入电压之间。
     • 次级绕组 (Ns)：连接输出整流滤波电路。
     • 复位绕组 (Nr) / 或其他复位电路 (如RCD箝位或谐振复位)： 关键！ 用于变压器磁芯复位。这是正激变换器区别于反激且正常工作必不可少的部分。
   • 次级整流滤波：
     • 整流二极管 (D1)：通常为快恢复二极管或同步整流MOSFET，在开关管导通时导通，传递能量到输出。
     • 续流二极管 (D2) / 或同步整流管：在开关管关断时导通，为输出电感中的电流提供续流通路，维持输出电流连续。
     • 输出滤波电感 (Lout)：存储能量，平滑输出电流。
     • 输出滤波电容 (Cout)：滤波，稳定输出电压。
   • PWM控制器： 产生固定频率的方波驱动信号控制开关管Q1的导通时间（Ton）和关断时间（Toff）。根据输出电压反馈调整占空比（D = Ton / T, T为周期），实现稳压。

2. 工作阶段详解： 阶段1：开关管Q1导通 (Ton期间)

   • PWM控制器驱动Q1导通。
   • 输入电压Vin施加到变压器初级绕组Np两端。根据变压器原理，电压极性“点端”为正。
   • 在次级绕组Ns上感生出极性“点端”为正的电压 Vsec = Vin * (Ns / Np)。
   • 次级整流二极管D1因正向偏置而导通（续流二极管D2反偏截止）。
   • 能量通过变压器、导通的D1传递到输出回路：同时给负载供电、给输出滤波电感Lout储能、给输出电容Cout充电。
   • 变压器磁通量 Φ 从最小值开始线性增加（磁芯储能）。
   • 复位绕组Nr (或其他复位元件) 在此阶段不工作。

   阶段2：开关管Q1关断 (Toff期间)

   • PWM控制器关断Q1。
   • 初级绕组Np中的电流通路被切断。
   • 变压器磁芯中存储的能量需要释放（磁通必须复位），否则会在下一个导通周期导致磁通饱和而损坏开关管。这是正激变换器的关键点！
   • 磁芯复位过程 (有多种实现方式，以最典型的复位绕组为例)：
     • 当初级电流中断时，变压器各绕组感应出反电动势，力图维持原有磁通。此时Np上“点端”电压极性变负。
     • 复位绕组Nr（与Np同名端相反绕制，即Nr的“点端”此时为负）此时感生的电压极性使其“点端”为负。
     • 该负电压通过复位回路（通常包含一个二极管Dr和一个吸收电阻/电容或直接返回输入电容）将磁芯中的能量回馈到输入源或消耗在电阻上（取决于具体设计）。
     • 变压器磁通量 Φ 线性下降到初始值（复位到零或规定值）。
   • 在次级侧：
     • 次级绕组Ns感应的电压极性反转，“点端”变为负。整流二极管D1反偏截止。
     • 输出滤波电感Lout中存储的能量需要维持电流流动。
     • 续流二极管D2因正向偏置而导通（或同步整流MOSFET被驱动导通），为Lout电流提供续流通路，继续向负载供电。电感电流线性下降。
     • 输出电容Cout提供滤波并维持输出电压稳定。

3. 关键特点：

   • 隔离： 通过变压器实现输入与输出的电气隔离，提高安全性。
   • 同时传输： 开关管导通时能量同时传输到次级和负载。
   • 输出电压与占空比关系： 理想情况下（忽略损耗），输出电压 Vout ≈ D Vin (Ns / Np)。 其中 D 是占空比（Ton / T）。可见，通过调节 PWM 占空比 D 即可调节输出电压。
   • 必须磁复位： 如前所述，可靠有效的磁芯复位机制是正激变换器正常工作的绝对前提。
   • 输出电感： 需要一个较大的输出滤波电感Lout来平滑电流。
   • 开关管电压应力： 开关管关断时承受的电压至少为 Vin + (Vin * Np / Nr) （复位绕组方式）或更高（其他复位方式）。
   • 次级整流管电压应力： D1承受的反向电压约为 2 * Vout（理想情况下）。
   • 功率范围： 适合中功率应用（几十瓦到数百瓦），性能优于反激式。可通过双管正激、有源箝位等衍生拓扑扩展至更大功率或提高效率。
   • 多路输出： 变压器可设计多个次级绕组，较容易实现多路隔离输出。
   • 效率： 通常高于反激式（变压器利用率高），但低于LLC等谐振拓扑。
   • 复杂性： 相比反激式增加了一个功率开关管（双管正激除外）或复位电路、输出电感，成本和控制相对复杂一点。

4. 磁复位常用方法：

   • 复位绕组复位： 如上所述，添加额外绕组和二极管，能量回馈或消耗。最常见。
   • RCD箝位复位： 在初级并联RCD（电阻、电容、二极管）网络。简单，但效率较低（能量消耗在电阻上）。
   • 有源箝位复位： 增加一个辅助开关管和小电容（有时称双管正激的一种改进，特指有源箝位正激）。实现ZVS（零电压开关），提高效率和降低EMI，但控制最复杂。
   • 谐振复位 (LC复位)： 利用谐振特性使磁芯复位。效率较高。

总结：

正激式开关电源利用变压器隔离并通过开关管的导通将输入能量直接传递到输出端。其区别于反激式的最大特点是开关管导通时能量同步传输。磁芯复位问题是设计核心，必须通过复位绕组、RCD箝位、有源箝位或谐振复位等可靠方法解决，以确保变压器工作在安全区并可靠运行。它在中功率应用（如计算机电源、工业电源、通信电源等）中因效率、功率密度和稳定性方面的优势而被广泛采用。