直流變壓器及其在兩級功率變換中的應用 - 全文

　　引言

　　信息技術特別是微處理器領域迅猛發(fā)展，微處理器內部的集成晶體管數(shù)量急劇增加，如圖1所示，對分布式電源系統(tǒng)的供電性能提出了更高的要求。分布式電源系統(tǒng)中的核心部件——電壓調節(jié)模塊（Voltage Regulator Modules，簡稱 VRM）的發(fā)展趨勢是：1）輸入母線電壓不斷提高，未來的計算機VRM將把輸入母線電壓提高到48V，減小母線損耗，提高效率，同時大大減小輸入濾波器的體積，提高電壓調節(jié)的瞬態(tài)響應速度。2）輸出電壓越來越低，輸出電流越來越大，滿足計算機芯片對電源容量的不斷增加，而且低的穩(wěn)態(tài)工作電壓可以提高微處理器的速度。3）負載變化率越來越高，要求VRM有更好的瞬態(tài)響應性能。圖2是Intel公司CPU的工作電壓電流發(fā)展趨勢圖，負載變換率在不遠的未來將會高達150A/us 。

　　如何保證電源的高可靠性，如何進一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證高效率，實現(xiàn)具有低電壓、大電流、動態(tài)響應速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質量電源系統(tǒng)是當前研究的關鍵問題。近年來，以Fred.C.Lee為首的學者提出了“直流變壓器”（DC/DC Transformer）的概念，在VRM中采用兩級功率變換結構。

　　本文詳細的闡述了直流變壓器的基本概念，歸納了直流變壓器的基本電路結構，并系統(tǒng)的總結了直流變壓器在三種不同的兩級功率變換場合的應用。

　　直流變壓器的基本概念

　　1 直流變壓器概念的提出背景

　　為了進一步提高微處理器的運算速度，下一代計算機微處理器的工作電壓將降到1.0V以下，同時輸出功率不斷增加，為了減小母線損耗，計算機VRM將把輸入母線電壓提高到48V。VRM的高頻化可以大大減小輸出濾波電容和濾波電感的體積，提高功率密度，減少成本。然而傳統(tǒng)的單級結構的48V VRM變換器很難在保持高效率的同時實現(xiàn)高頻化，開關頻率只有大約200-300KHz。相對較低的開關頻率使VRM需要較大的輸出濾波電容和濾波電感，不僅增加了VRM的體積和成本，而且很難集成到計算機的微處理器中去。一般來說，輸出濾波電容是 VRM最昂貴的部件之一。為此，美國弗吉尼亞電力電子中心以Fred.C.Lee為首的學者提出了兩級結構的48V VRM，將不隔離的電壓調節(jié)模塊和直流變壓器級聯(lián)，大大提高了VRM的開關頻率。直流變壓器電路結構簡單，恒占空比工作，起隔離和降壓的作用，利用變壓器漏感實現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感，同時實現(xiàn)了所有開關管的軟開關，效率高。

　　2 直流變壓器的定義和功用

　　直流變換器有兩種基本類型：即輸出穩(wěn)壓的DC/DC變換器和輸出電壓隨輸入調節(jié)的“直流變壓器”（DC/DC Transformer） 。直流變壓器和交流變壓器類似，將一種直流電壓變換成另一種或多種直流電壓;通過高頻斬波-變壓器隔離-高頻整流來實現(xiàn)一種直流電壓到與之成正比的另一種或多種直流電壓的變換，可用于功率傳輸和電壓檢測等場合。

　　3 理想直流變壓器的基本要求

　　理想直流變壓器的基本要求為：

　?、賹崿F(xiàn)輸入輸出電壓的電氣隔離和輸入輸出的比例關系，并可以實現(xiàn)多路輸出

　?、诶米儔浩髀└羞M行能量傳輸，無能耗，變換效率為1，功率密度高

　?、?輸出不需濾波電感，可以減小大大輸出濾波器的體積和重量，動態(tài)性能好，瞬態(tài)響應速度快

　　④ 系統(tǒng)頻帶寬，能夠不失真地傳輸電壓

　?、?采用開環(huán)控制，控制電路簡單，易于實現(xiàn)軟開關，可以進一步提高開關頻率

　?、?可靠性高，對電源和用電設備電磁干擾小。

　　4 直流變壓器的類型

　　按變換器能量傳輸能力的角度，直流變壓器可以分為單向直流變壓器和雙向直流變壓器;此外通過直流變壓器的并聯(lián)與串聯(lián)組合可以構成組合式直流變壓器。

　　5 直流變壓器的基本電路結構

　　圖3為直流變壓器的基本電路結構，其中Lr 為變壓器漏感（或少量串聯(lián)電感），原邊高頻逆變電路可以是推挽、半橋、全橋、推挽正激、雙管正激、有源箝位正激、諧振復位正激和不對稱半橋等電路拓撲;副邊整流濾波電路，如圖4所示，可以是不帶輸出濾波電感的半波整流、全波整流、全橋整流和推挽正激整流電路，整流二極管可以換成同步整流管，減小通態(tài)損耗。將副邊整流二極管換成雙向的開關管可以構成雙向直流變壓器，圖5是雙向半橋直流變壓器。反激、雙管反激和正-反激以及雙管正-反激電路由于變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，變壓器需要儲能，不能進行能量的直接傳輸，所以不適合用作直流變壓器。滿足理想直流變壓器基本要求的電路結構為：

　?、?Lr 盡量小;Lr 越小，線路壓降越小， 越能保證直流變壓器輸入、輸出的正比關系。

　?、?直流變壓器中不含有大的儲能元件;儲能元件小是保證頻帶寬度的條件，這就要求系統(tǒng)占空比盡量接近1，系統(tǒng)濾波元件小。

　?、?實現(xiàn)零電壓開關;實現(xiàn)零電壓開關有助于提高變換效率，漏感Lr越大越容易實現(xiàn)開關管零電壓 開通。開關管并聯(lián)電容有利于開關管的零電壓關斷，但同時造成了零電壓開通困難。

　　直流變壓器在兩級功率變換中的應用

　　1 直流變壓器在VRM中的應用

　　電路由有源箝位正激直流變壓器和多相交錯并聯(lián)的同步整流BUCK變換器級聯(lián)組成，如圖8所示。BUCK電路的工作頻率為1MHz， 大大減小了輸出濾波器的體積，提高了VRM的功率密度和瞬態(tài)響應速度。有源箝位正激直流變壓器電路結構簡單，去除了傳統(tǒng)有源箝位正激變換器的輸出電感和續(xù)流二極管，由于輸出電容的箝位，副邊整流管上不存在電壓尖峰，可以選擇電壓定額較低的整流管，減小了通態(tài)損耗。利用變壓器磁化電流實現(xiàn)開關管的零電壓開關，同時減小輸出濾波電容，和漏感發(fā)生諧振，實現(xiàn)零電流關斷。滿載時，這種兩級結構的VRM效率高達96.5%。

　　由多相交錯并聯(lián)的同步整流BUCK變換器和推挽直流變壓器級聯(lián)構成的24V VRM，如圖9所示。推挽直流變壓器恒占空比工作，開關管的占空比為50%。并將這種兩級結構的VRM和單級VRM比較，在相同的開關頻率下，兩級結構的 VRM大大提高了動態(tài)響應速度和負載變化率，通態(tài)損耗小，變換效率高。

　　2 直流變壓器在級聯(lián)式雙向DC/DC變換器中的應用

　　在一些既需要電壓調節(jié)，又需要電氣隔離的雙向DC/DC變換器（Bi-directional DC/DC converter簡稱BDC） 應用場合中，可以采用非隔離的雙向直流變換器和雙向直流變壓器級聯(lián)的結構，實現(xiàn)能量的雙向傳輸，是一種新穎的BDC方案。

　　具有調壓功能的Buck/Boost BDC 和具有隔離變壓功能的雙向推挽正激直流變壓器級聯(lián)，構成了兩級式BDC，如圖10所示。能量從V1流向V2時，開關管S3、S4為同步整流工作;能量從 V2流向V1時，開關管S1、S2為同步整流工作。級聯(lián)式BDC的主開關管全部實現(xiàn)了ZVS，變換效率高。在級聯(lián)式BDC 中，由于DCT 級占空比接近1、慣性小、頻帶寬，不影響級聯(lián)式BDC 的控制模型。級聯(lián)式雙向DC/DC變換器是BDC構成方案的新型結構。級聯(lián)式BDC的兩部分電路可分別優(yōu)化設計、功率密度高、適用于大變比變換的應用場合。

　　3 直流變壓器在航空靜止變流器中的應用

　　航空靜止變流器（Aeronautical Static Inverter簡稱ASI）是飛機電源系統(tǒng)的二次電源，隨著飛機作戰(zhàn)性能的提高和機載用電設備的不斷增加，對飛機電源系統(tǒng)的供電質量和可靠性都提出了更高的要求?，F(xiàn)在的中、大功率三相ASI一般采用兩級結構，在輸入電壓變化范圍較小的場合采用高頻隔離的直流變壓器和三相逆變器級聯(lián)組成，結構簡單，利于模塊化設計，實現(xiàn)了高功率密度、換效率、高可靠性和高電能質量。前級采用直流變壓器，起隔離和變壓的作用，為后級逆變器提供輸入電壓。后級采用單相或三相逆變器，進行電壓閉環(huán)控制，逆變器具有穩(wěn)壓功能，輸出電壓失真度小，動態(tài)響應速度快，大大提高了ASI的性能。

　　雙正激式高壓直流變壓器如圖11所示。開關管的電壓應力低而且不存在橋臂直通的危險，可靠性高;在接近100%的等效占空比下工作，利用變壓器漏感實現(xiàn)了開關管的ZVS開關，而且由于沒有輸出濾波電感，通過濾波電容的箝位作用基本消除了副邊整流二極管的電壓尖峰，變換效率高。

　　結語

　　本文對直流變壓器的提出背景、定義、電路的基本結構等基本概念進行了詳細的闡述。直流變壓器利用變壓器漏感能量實現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感，電路結構簡單，易于實現(xiàn)軟開關，采用開環(huán)控制，恒占空比工作，起變壓和隔離的作用，變換效率高。并歸納分析了直流變壓器的在兩級結構的VRM、級聯(lián)式雙向 DC/DC變換器以及航空靜止變流器三種不同的兩級功率變換場合的應用。