反激变换器的前世今生

大家好，我是电源漫谈，反激变换器是最基本的隔离变换器类型，在大功率电源的辅助电源，及一些特殊应用，如电池管理系统的主动均衡电路等都有重要的应用。今天和大家一起探讨一下反激变换器的基本拓扑演化，基本状态分析，及等效模型的获取，最后会简要说明一下相对于基于BUCK电路演化的桥式电路的优缺点。

反激变换器是常见的一种变换器，主要用于小功率场合。在大功率系统的辅助电源，及一些特殊应用中有广泛的使用，本文详细探讨其拓扑的形成及直流特性。

一.反激变换器的拓扑演变

图1 传统的BUCK-BOOST拓扑

反激变换器是基于BUCK-BOOST变换器演变而来，如图1所示，这里采用一个mosfet和一个diode来作为开关。

图2 BUCK-BOOST拓扑的变形1

当电感绕组改为两个绕组并联时，如图2所示，匝比为1:1,这时电感的基本功能没什么变化，它和单个的电感等效。

图3 BUCK-BOOST的拓扑变形2

当我们将两个并联绕组分开时，当Q1导通时，其中一个绕组会使用，而D1导通时，另一个绕组才会使用，从整体上看，虽然两个绕组没有连接在一起，但是其总电流并没有发生变化，但是电流在两种状态下分布在不同的绕组中。这里需要注意的是，电感本身包含一个磁芯，在图2和图3的两种拓扑形式中，磁芯中的磁场是一样的。

图4 BUCK-BOOST变换器的拓扑变形3

将图3中的BUCK-BOOST拓扑做一定变化，将1:1的匝数比改为1：n以便适应更宽的工作电压，同时将开关Q1放到原边的对地端，方便驱动，变压器的极性标示做一个翻转，那么负输出电压就可以变为正输出电压。

图5 反激变换器的拓扑

尽管这个双绕组变压器，和一般的变压器标示没有什么区别，但是更确切的这个双绕组变压器叫做双绕组电感，这就是反激变压器，它的主要特点是原边和副边的绕组上的电流不会同时存在。在图5中，我们通过磁化电感和理想变压器的模型来替换双绕组变压器，这里磁化电感LM的功能和BUCK-BOOST变换器的电感的功能一样。

二．反激变换器的基本状态分析

图6 反激变换器开关状态1

图7 反激变换器开关状态2

图6和图7我们给出的电路是反激变换器的两种状态，状态1是当开关Q1导通时，输入源Vg的能量存储在磁化电感中，当二极管D1导通时，LM中存储的能量传递到输出端，这里变压器中两个绕组的电流和电压关系根据匝比去换算。

图8 反激变换器在CCM模式下的典型波形

在状态1中，当Q1导通时，如图6所示，电感电压vl,电容电流ic，直流源ig由下面的式子给出来。

图9 反激变换器状态1的关系式

注意，这里电感上的电压为输入源电压VG,而输出电容的电流是负载上的电流（此处我们规定了流入电容的电流为正电流），原边源的电流ig就是磁化电感上的电流i（此时变压器副边绕组断开）。

此时，我们做一个假定和近似，假定电感工作在CCM模式下，电感的电流纹波比较小，电容的电压纹波较小，所以磁化电感上的电流可以忽略纹波用直流分量表示I,电容上的电压也可以忽略纹波，用直流分量V表示。

图10 反激变换器状态1的近似关系式

另一个子状态，就是二极管D1导通的时候，晶体管Q1关断，等效电路如图7所示，电感上的电压vl，电容上的电流ic，直流源的电流ig如下式图11表示。

图11 反激变换器状态2的关系式

针对小纹波近似表达，我们得到如下图12的表达式。

图12 反激变换器状态2的近似关系式

三．反激变换器的等效电路模型获取

在磁化电感上面，应用伏秒平衡原理，就可以得到如下的表达式。

图13 电感伏秒平衡关系

根据稳定状态下，电感伏秒积为0，可以由上式得到反激变换器的输入输出直流关系，如图14所示。

图14 反激变换器直流关系

从反激的输入输出基本关系来看，它非常类似于BUCK-BOOST的输入输出基本关系，但是多了变压器匝比这个系数。

应用输出电容的电荷平衡原理，可以得到如下图15所示的关系。

图15 电容的安秒平衡关系

由上式15可以得到输出电流和负载的关系，如图16所示。

图16 磁化电流的基本关系

因此可知，原边磁化电流I和负载电阻，匝比，输出电压，占空比相关。

源电流的DC分量，主要是在Q1开关导通时，如图17所示。

图17 源电流直流分量

接下来，就可以基于以上图15,16,17三个表达式，得到反激变换器的直流分量等效电路。

图18 反激变换器直流分量等效电路1

由上述等效电路可知，输入端Vg电压源取决于D*Vg电压源，而Ig又取决于D*I电流源,D*Vg电压源和(1-D)*V/n电压源是等效的，而对于输出端来说，(1-D)*I/n这个电流源等于V/R，这里输入和输出端都是等下为电流源结构，中间电路等效为电压源结构。

图19 反激变换器的直流分量等效电路2

上述图18可以通过变压器去替换受控电源，此电路包含1：D的buck转换环节，且包含(1-D):1的boost转换环节，且增加了n这个匝比系数。

四.反激变换器的优缺点分析

反激变换器通常用于较小的功率等级，它的典型优势是元器件个数较少，如果要实现多路输出的话，每一个额外的输出仅仅需要增加一个额外的绕组，及整流二极管和输出电容。

相比较于半桥，全桥，双管正激等和BUCK相关的电路，反激变换器有一些缺点，如较大的电压应力，及较差的较差调整率。峰值的晶体管电压，等于输入电压Vg加上副边反射电压V/n，在实际应用中，可以观察到一些和变压器漏感相关的振铃部分。

另一方面，一般反激变换器的磁化电流是单极性的，所以，仅仅一半的磁芯B/H曲线得以利用，所以磁化电流必然包含一个较大的直流分量。

在实际的反激变压器设计中，往往电感设置为DCM模式，使得电感LM较小，然而，DCM模式运行的代价是较大的晶体管，二极管，滤波电容等的峰值电流。

相反，CCM模式的反激变换器的LM相当大，因此变压器较大，但是带来的好处是晶体管，二极管，输出电容的峰值电流较小。

总结，本文基于BUCK-BOOST电路到反激变换器的拓扑演变说起，讨论了反激变换器的基本工作状态，获取到了其直流等效电路模型，并说明其和BUCK-BOOST电路的本质相同。最后简述反激变换器相对于BUCK类型的变换器来说具有的一些典型优缺点。

参考文献：Fundamentals of Power Electronics