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現能量的傳輸，不需輸出濾波電感。采用開環(huán)控制，恒占空比工作，電路結構簡單，易于實現高頻軟開關和高功率密度，變換效率高。最后系統(tǒng)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(jié)模塊; 雙向變換器;航空靜止變流器

1.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 [1,2,3]。

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[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(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。

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[3,4]，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能量的傳輸，不需輸出濾波電感，同時實現了所有開關管的軟開關，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型[6]：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。

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實現輸入輸出電壓的電氣隔離和輸入輸出的比例關系，并可以實現多路輸出;

②利用變壓器漏感進行能量傳輸[3,4]，無能耗，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;

⑤ 采用開環(huán)控制，控制電路簡單，易于實現軟開關，可以進一步提高開關頻率;

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。

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：