反激式(Flyback)變壓器又稱單端反激式或Buck-Boost轉換器。因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名。反激式變換器以其電路結構簡單，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計難點是變壓器的設計，因為輸入電壓范圍寬，特別是在低輸入電壓，滿負載條件下變壓器會工作在連續(xù)電流模式，而在高輸入電壓，輕負載條件下變壓器又會工作在不連續(xù)電流模式。

反激式轉換器(Flyback Converter)的設計類似于70年前的開關模式電源，可以執(zhí)行任何類型的轉換，例如AC-DC和DC-DC。反激式的設計為最早在1930年代至1940年代開發(fā)用于通信的電視提供了優(yōu)勢。反激式轉換器使用的是非線性開關電源概念，與非反激式設計相比，反激式轉換器存儲磁能并充當電感器。本文簡單介紹下反激式轉換器工作原理和電路類型。反激式轉換器也稱之為電源轉換器，它將交流電轉換為直流電，并在輸入和輸出之間進行電流隔離。它在電流流過電路時儲存能量，并在斷電時釋放能量。它使用了一個相互耦合的電感器，并用作降壓或升壓變壓器的隔離開關轉換器。反激式轉換器可以控制和調節(jié)具有寬輸入電壓范圍的多個輸出電壓。與其他開關模式電源電路相比，設計反激式轉換器所需的組件很少。反激這個詞被稱為設計中使用的開關的“開/關”動作。

反激式轉換器設計非常簡單，包含反激式變壓器、開關、整流器、濾波器等電氣元件，以及驅動開關和實現(xiàn)調節(jié)的控制裝置。其電路設計如下圖所示：

開關用于接通和關斷初級電路，可以使變壓器磁化或退磁。來自控制器的PWM信號控制開關的操作。在大多數(shù)反激變壓器設計中，F(xiàn)ET、MOSFET或基本晶體管用作開關。整流器對次級繞組的電壓進行整流以獲得脈動直流輸出，并將負載與變壓器的次級繞組斷開。電容器過濾整流器輸出電壓并根據(jù)所需應用增加直流輸出電平。

反激變壓器用作存儲磁能的電感器，它被設計為一個雙耦合電感器，用作初級和次級繞組，并且以接近50KHz的高頻率工作。有必要考慮匝數(shù)比、占空比以及初級和次級繞組電流的反激轉換器關系式計算。因為匝數(shù)比可能會影響流經(jīng)初級和次級繞組的電流以及占空比。當匝數(shù)比高時，占空比也變高，通過初級和次級繞組的電流減小。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域應用于雷電上行先導模擬試驗的關鍵設備，屬于能源技術范疇，外文名High voltage high power reverse excitation transformer。其作用為解決新型沖擊電壓發(fā)生裝置構建中變壓器的物理實現(xiàn)問題，主要結構包括磁芯結構和繞組結構 [1]。該變壓器采用反激變換拓撲，工作參數(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計為帶集中切口氣隙的跑道環(huán)形結構，繞組采用高、低壓同心單層繞制以減少漏磁。通過研制樣機驗證，其輸出電壓峰值達到23.5kV，最大上升率滿足40kV/ms設計要求，證實了電磁設計方案的有效性 [1]。

實驗室條件下利用長空氣間隙放電開展雷電上行先導模擬試驗研究，需要在間隙上施加波前由緩變陡近似呈單調指數(shù)上升的MV級沖擊電壓波形，以準確模擬雷電先導自云端向大地發(fā)展過程中地面物體附近電場的時域變化特征。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等效模擬的要求。

在現(xiàn)代電力電子技術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時控制容性負載的電壓爬升過程以構建新型原理的MV級沖擊電壓發(fā)生裝置，使雷電上行先導試驗中電場時變特征等效模擬問題的解決成為現(xiàn)實。

據(jù)此，新型沖擊電壓發(fā)生裝置的核心電路。該電路具有結構簡單、易于控制和輸入輸出隔離的優(yōu)點，可以實現(xiàn)高壓大功率電容可控充電功能。電路采用了開關電源中常見的反激變換拓撲，但與開關電源穩(wěn)壓輸出要求不同的是，其輸出目標是通過控制容性負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、最大輸出功率達上百kW、開關周期最大充電能量可達數(shù)，這些參數(shù)比開關電源的要求至少高兩個數(shù)量級。反激變壓器作為反激變換拓撲中的關鍵元件，在電路中承擔能量藕合傳遞的重要功能。為基于該拓撲電路最終構建新型沖擊電壓發(fā)生裝置，需要針對高壓大功率電容可控充電的電路應用特點，重點研究反激變壓器的電磁結構問題 [1]。

能量傳遞方式的本質差異

1. 正激變換器變壓器：

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

- 典型拓撲示例：單管正激(需復位繞組或RCD復位電路)、雙管正激(利用開關管實現(xiàn)磁復位)。

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

2. 反激變換器變壓器：

- 雙重功能：既是變壓器又是儲能電感。初級繞組通電時儲能，關斷時通過次級釋放能量，實現(xiàn)“先存后放”。

- 典型拓撲示例：隔離式反激(常見于適配器、LED驅動)，無需額外復位電路。

- 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應用手冊)。

磁芯復位機制的關鍵區(qū)別

1. 正激變換器：

- 必須強制復位：因磁通單向積累，需通過復位繞組、RCD電路或主動鉗位等方式泄放剩余能量。例如，RCD復位電路中，復位電容電壓需設計為輸入電壓的1.5-2倍(參考《開關電源設計》第三版)。

- 磁芯利用率低：復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：

- 自動復位：通過次級繞組電流自然復位磁芯，無需額外電路。關斷期間，磁能全部轉移至負載。

- 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%。

應用場景與設計權衡

1. 正激變換器的優(yōu)勢場景：

- 高功率密度需求：如服務器電源、工業(yè)電源。

- 低紋波要求：輸出濾波電感可進一步平滑電流。

2. 反激變換器的優(yōu)勢場景：

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

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

擴展討論：設計中的隱性成本

- 正激變換器：復位電路增加復雜性和成本，但適合對可靠性要求高的場景。

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

總結：兩者選擇取決于功率等級、成本預算及效率目標。正激適合高壓大電流，反激勝在簡單靈活，理解其變壓器功能差異是優(yōu)化設計的關鍵。