4.6.3  变压器和正激变换器

前述的反激变换器依赖励磁电流作为媒介来实现电能转换，仅限用于小容量的变换装置，更大容量的应用中需利用变压器的电动势。为此，如图4.26a所示，保持两个绕组不变，再绕制一个三次绕组（匝数为N₃），它通过图4.26b所示的整流二极管D_r和环流二极管D_f以及持流电抗器L₄连接成降压斩波电路。另一方面，二次绕组通过D_b反向连接至输入电源，在T_off初期由其将励磁能量反馈回电源。这种复合电路被称为正激变换器（forward converter）。

图4.26 三绕组电抗器和正激变换器

以图4.27a所示波形为基础说明该电路的工作过程。T_on期间SD导通，E₁加到一次绕组上，励磁电流i_m流动。在接下来的T_off期间SD关断，i_m被切断，这部分电流转移为二次绕组电流i′_m，将励磁能量返回电源E₁，此时，L₂端电压被钳位为-E₁。关于电压e₁和e₂的波形，因为设定匝数比为N₁∶N₂∶N₃=2∶1.5∶1，所以请注意两者的电压波形比通常是定值。这个过程与在前节中已经说明的反激变换器相同，所以一次和二次绕组构成两绕组电抗器。这个二次绕组的功能是将励磁能量返回给电源E₁，也就是起到了复位铁心磁通的作用。

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图4.27 隔离型DC-DC变换器工作波形比较（对于图a，只在换路瞬间存在i_m′=a₁₂i_m的等安匝数原理。另一方面，i₃′=-a₃₁i₃在整个T_on期间该原理都成立）

接下来对三次绕组进行说明。在三次绕组L₃中感应与二次绕组中相同波形的电压e₃（幅值是e₁的一半，波形省略）。T_on期间e₃对二极管D_r正偏，使D_r导通，同时e₃施加到D_f端。进入T_off期间后，e₃极性反转，由于D_r的缘故，其负半周截止，因此D_f的端电压变为图中所示的方波脉冲，e₃被去掉负半周后的波形即为e₃∗，该脉冲电压通过D_f和L₄施加到降压斩波电路中，向负载中流入电流i_L4。i_L4显示在图4.27a的中间部分，T_on期间通过L₃和D_r的电流为i₃，T_off期间通过D_f进行续流。问题出在T_on期间的电流i₃上，由于该电流通过L₃流动，所以由磁动势N₃i₃在铁心中会产生新的磁通，但是根据式（4.38），Φ的变化量必须对应一次绕组电压e₁，不允许随意变化，因此为了抵消该磁动势，电流i₃′会自动地从电源e₁流入一次侧绕组，从而使两者的磁动势之和变为零。基于等安匝数原理，一定存在N₁i₃′+N₃i₃=0（i₃′=-a₃₁i₃，a₃₁=N₃/N₁）。将三次侧的负载电流i₃对应的电流i₃′称为等安匝数电流，这些相关电流显示在图4.27a中。T_on期间电流i₁=i_m+i₃′在L₁中流动，进入T_off期间后，i_m转移为L₂中的i′_m，在此瞬间，原来的i₃转换为续流电流i_L4进行流动，i₃′立刻变为零，此时L₁和L₃作为变压器进行工作。图4.26b所示为一个罕见的两绕组电抗器和变压器在同一铁心上共存的装置，另外，该变压器是以在T_on期间励磁电流和等安匝数电流同时在一次绕组中流动的现象为特征的。

对于上述工作方式，T_on期间由于变压器作用，在L₃端子间以（N₃/N₁）E₁的等效电压源方式进行动作，由于可以获得较大的功率输出，因此可以制成数百瓦等级的电源装置。另外，因为L₃输出施加在降压斩波电路的（L₄+D_f）上，所以输出平均电压E₃可以通过式（4.42）进行计算。T_off期间是零电压段，持流电抗器位于变压器的二次侧，从而形成环路切换型功率变换。

顺便说一下，在图4.27a的下面部分显示了i′_m的波形，它表示了转移的励磁电流变为零的过程，称其为磁通复位，将这个必要的时间称为磁通复位时间，需要磁通复位是本工作方式的缺点。另外，正激变换器以变压器的功能为主，所以应以减小励磁电流值为出发点来设计变压器的磁路^[20]。由于二极管的机能，正激变换器是具有两绕组电抗器和变压器共存的特殊工作方式。