正激式变换器的工作原理
正激式DC/DC变换器，简称正激式变换器，英文为Forward Converter。正激式变换器一般用于100~300W中等功率的开关电源中，通过高频变压器实现输入/输出电器隔离，是常用的DC/DC变换器之一。本文以单端正激式变换器（因其只有一个功率开关管，也称为单管正激式变换器）为例，介绍正激式变换器的工作原理。
正激式DC/DC变换器的拓扑结构
正激式DC/DC变换器的拓扑结构如图1所示。UI为直流输入电压，T为高频变压器，其中NP为初级绕组，NS为次级绕组。高频变压器的初级绕组与次级绕组的极性相同，同名端位置如图中所示。NR为磁复位绕组，其匝数与NP相同，在VT关断期间，泄放励磁电流，使高频变压器磁复位。VT为功率开关管，VD1为整流二极管，VD2为续流二极管，二极管VD3为励磁电流提供泄放回路。L为输出滤波电感，C为输出滤波电容，UO为直流输出电压，RL为外部负载电阻。脉宽调制器（PWM）用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。
图1 正激式DC/DC变换器的拓扑结构
正激式DC/DC变换器的工作原理
正激式DC/DC变换器的工作原理如图2所示，功率开关管VT在脉宽调制（PWM）信号的控制下，交替地导通与关断（也称截止），相当于一个机械开关高速地闭合与断开。图2-a和图2-b分别示出了VT导通和关断时的电流路径，为了便于电路分析，图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。
图2 正激式DC/DC变换器的工作原理
当功率开关管VT导通（即S闭合）时，如图2-a所示，输入电压UI直接加到高频变压器初级绕组NP的两端，使初级电流IP线性地增加。初级绕组的感应电动势为上“+”下“-”。根据电磁感应原理，高频变压器磁复位绕组NR和次级绕组NS两端的感应电压也为上“+”下“-”，此时二极管VD3截止，整流二极管VD1导通，续流二极管VD2截止。次级绕组NS产生的电压US施加到输出滤波电感L左端，形成线性增加的次级电流IS（即整流二极管VD1的正向电流IF1），电感储存的能量也在增加，L上的感应电动势为左“+”右“-”。IS为输出滤波电容C充电，并为负载RL提供输出电流IO。次级绕组电流IS为电容充电电流I1和负载电流IO的总和。
当功率开关管VT关断（即S断开）时，如图2-b所示，初级侧绕组NP的电流突然中断，根据电磁感应的原理，此时在初级绕组上会产生反极性的感应电压。同时，高频变压器的磁复位绕组NR和次级绕组NS也同时产生极性为上“-”下“+”的感应电压。此时二极管VD3导通，整流二极管VD1截止。高频变压器的励磁电流IR将通过二极管VD3回馈到输入电源UI端，并线性的逐渐减小到零。因电感L中的电流不能突变，整流二极管VD1截止后，L将产生左“-”右“+”的感应电压，使续流二极管VD2导通，产生电流IF，储存在L中的磁能就转换为电能，经过由VD2构成的回路继续向负载RL供电。随着L中磁能的释放，IF逐渐减小，输出滤波电容C将产生放电电流I2，负载电流IO为流过电感的电流IF和电容放电电流I2的总和。
注：正激式变换器是在功率开关管导通期间向负载传输能量的，是典型的正激型变换器。
和反激式变换器不同，正激式变换器的初级电流IP和次级电流IS产生的磁场在高频变压器中相互抵消，不会引起变压器磁芯的过度磁化，高频变压器上基本不储存能量。在功率开关管关断时，高频变压器励磁电流的能量将通过磁复位绕组回馈到输入电源。正激式DC/DC变换器的电压及电流波形如图3所示。PWM表示脉宽调制波形，tON为功率开关管VT的导通时间，tOFF为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期。UC为功率开关管VT的集电极电压波形。IP为初级绕组的电流波形，即VT集电极的电流波形。IS为次级绕组的电流波形，即整流二极管VD1的正向电流波形。IF为续流二极管VD2的电流波形。US为次级绕组两端的电压波形。
图3 正激式DC/DC变换器的电压及电流波形
可以看出，当功率开关管VT导通时，其集电极电压UC为零；在VT关断时，其集电极电压UC将高达输入电压UI的2倍。这是因为磁复位期间初级绕组NP产生了上“-”下“+”的感应电压，该电压与UI相等并与UI叠加，使UC变为2UI。为了保证高频变压器能够完成磁复位过程，正激式变换器的PWM信号占空比D不能超过50%。为了留有安全余量，通常将最大占空比限制在45%以下。
注：正激式变换器的PWM信号占空比不能超过50%。
正激式DC/DC变换器主要有以下特点：
① 输出电压UO与UI的关系为：UO=D（NS/NP）UI。可以通过改变初、次级绕组的匝数比，构成升压或降压式开关电源。改变占空比D即可调节输出电压。
② 功率开关管VT承受的最大电压UCE=2UI。
③ 功率开关管VT的最大集电极电流IC=（NS/NP）IO。
④ 整流二极管的平均电流IS=DIO。
⑤ 整流二极管的反向电压UR=UO+（NS/NP）UI。
⑥ 续流二极管的平均电流IF=（1-D）IO。
⑦ 正激式变换器必须在输出整流二极管与滤波电容之间串联滤波电感（也称平波电感或扼流圈），该电感还能起到储能作用，因此亦称储能电感。
