直流變壓器及其在兩級功率變換中的應用

摘要：本文詳細的闡述了直流變壓器的基本概念, 直流變壓器利用變壓器漏感能量實(shí)現能量的傳輸，不需輸出濾波電感。采用開(kāi)環(huán)控制，恒占空比工作，電路結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現高頻軟開(kāi)關(guān)和高功率密度，變換效率高。最后系統的總結了直流變壓器在兩級結構的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(chǎng)合的應用。

敘詞：DC/DC transformer; two-stage; vrm; bi-directional converter; aeronautical static inverter

Abstract：This paper introduces the basal concept of the DC/DC Transformer in detail. The leakage inductor of the DC/DC Transformer can be used to transfer energy liking the input and the output instead of using the output inductor. It operates in open loop control, with a fixed duty cycle. Because of its simple structure, it achieves soft-switching at high frequency. Then high power density and high efficiency will be realized. The applications of the DC/DC Transformer in two-stage VRM, two-stage bi-directional DC/DC converter and aeronautical static inverter are summarized systematically.

Keyword：直流變壓器;兩級結構;電壓調節模塊; 雙向變換器;航空靜止變流器

1.引 言

信息技術(shù)特別是微處理器領(lǐng)域迅猛發(fā)展，微處理器內部的集成晶體管數量急劇增加，如圖1所示，對分布式電源系統的供電性能提出了更高的要求。分布式電源系統中的核心部件——電壓調節模塊(Voltage Regulator Modules,簡(jiǎn)稱(chēng) VRM)的發(fā)展趨勢是:1)輸入母線(xiàn)電壓不斷提高，未來(lái)的計算機VRM將把輸入母線(xiàn)電壓提高到48V，減小母線(xiàn)損耗，提高效率，同時(shí)大大減小輸入濾波器的體積，

提高電壓調節的瞬態(tài)響應速度。2)輸出電壓越來(lái)越低，輸出電流越來(lái)越大，滿(mǎn)足計算機芯片對電源容量的不斷增加，而且低的穩態(tài)工作電壓可以提高微處理器的速度。3)負載變化率越來(lái)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(lái)將會(huì )高達150A/us [1,2,3]。

如何保證電源的高可靠性，如何進(jìn)一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證高效率，實(shí)現具有低電壓、大電流、動(dòng)態(tài)響應速度快、高穩定度輸出等優(yōu)良性能的高質(zhì)量電源系統是當前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，以Fred.C.Lee為首的學(xué)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[3]。

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，并系統的總結了直流變壓器在三種不同的兩級功率變換場(chǎng)合的應用。

2. 直流變壓器的基本概念

2.1 直流變壓器概念的提出背景

為了進(jìn)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(shí)輸出功率不斷增加，為了減小母線(xiàn)損耗，計算機VRM將把輸入母線(xiàn)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。然而傳統的單級結構的48V VRM變換器很難在保持高效率的同時(shí)實(shí)現高頻化，開(kāi)關(guān)頻率只有大約200-300KHz。相對較低的開(kāi)關(guān)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(lái)說(shuō)，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(xué)者提出了兩級結構的48V VRM[3,4]，將不隔離的電壓調節模塊和直流變壓器級聯(lián)，大大提高了VRM的開(kāi)關(guān)頻率。直流變壓器電路結構簡(jiǎn)單，恒占空比工作，起隔離和降壓的作用，利用變壓器漏感實(shí)現能量的傳輸，不需輸出濾波電感，同時(shí)實(shí)現了所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，效率高。

2.2 直流變壓器的定義和功用

直流變換器有兩種基本類(lèi)型[6]：即輸出穩壓的DC/DC變換器和輸出電壓隨輸入調節的“直流變壓器”(DC/DC Transformer) 。直流變壓器和交流變壓器類(lèi)似，將一種直流電壓變換成另一種或多種直流電壓;通過(guò)高頻斬波-變壓器隔離-高頻整流來(lái)實(shí)現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(chǎng)合。

2.3 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：

①實(shí)現輸入輸出電壓的電氣隔離和輸入輸出的比例關(guān)系，并可以實(shí)現多路輸出;

②利用變壓器漏感進(jìn)行能量傳輸[3,4]，無(wú)能耗，變換效率為1，功率密度高;

③ 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(dòng)態(tài)性能好，瞬態(tài)響應速度快;

④ 系統頻帶寬，能夠不失真地傳輸電壓;

⑤ 采用開(kāi)環(huán)控制，控制電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率;

⑥ 可靠性高，對電源和用電設備電磁干擾小。

2. 4 直流變壓器的類(lèi)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(guò)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。

2. 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(chēng)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(kāi)關(guān)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(zhù)電感和變壓器的雙重作用，變壓器需要儲能，不能進(jìn)行能量的直接傳輸，所以不適合用作直流變壓器。滿(mǎn)足理想直流變壓器基本要求的電路結構為：