直流變壓器及其在兩級功率變換中的應(yīng)用

① 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(guān)系。

② 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。

③ 實現(xiàn)零電壓開關(guān);實現(xiàn)零電壓開關(guān)有助于提高變換效率，漏感Lr越大越容易實現(xiàn)開關(guān)管零電壓 開通。開關(guān)管并聯(lián)電容有利于開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，但同時造成了零電壓開通困難[3,6]。

3. 直流變壓器在兩級功率變換中的應(yīng)用

3.1 直流變壓器在VRM中的應(yīng)用

現(xiàn)在國外提出的兩級結(jié)構(gòu)的VRM可以分為兩類，如圖6、7所示[3]。在圖6中，前級直流變壓器采用開環(huán)控制，恒占空比工作，起著隔離和變壓的作用，后級用來實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，圖7反之。由于圖6結(jié)構(gòu)的反饋電路不需要隔離，所以VRM瞬態(tài)響應(yīng)更快，因此兩級式VRM更多的是采用圖6結(jié)構(gòu)。直流變壓器在接近100%的等效占空比下工作，起著隔離和變壓的作用。利用變壓器的漏感實現(xiàn)能量的傳輸，輸出不需濾波電感，變換效率高;采用開環(huán)控制，控制電路簡單;易于實現(xiàn)軟開關(guān)，可進一步提高開關(guān)頻率，提高功率密度，同時大大減小了濾波器的體積，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，適用于未來的高效率高功率密度的VRM。

文獻[3]提出了一種兩級結(jié)構(gòu)的48V VRM，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(yīng)速度。有源箝位正激直流變壓器電路結(jié)構(gòu)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(guān)管的零電壓開關(guān)，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(guān)斷。滿載時，這種兩級結(jié)構(gòu)的VRM效率高達96.5%。

文獻[5]提出了一種由多相交錯并聯(lián)的同步整流BUCK變換器和推挽直流變壓器級聯(lián)構(gòu)成的24V VRM，如圖9所示。推挽直流變壓器恒占空比工作，開關(guān)管的占空比為50%。并將這種兩級結(jié)構(gòu)的VRM和單級VRM比較，在相同的開關(guān)頻率下，兩級結(jié)構(gòu)的VRM大大提高了動態(tài)響應(yīng)速度和負載變化率，通態(tài)損耗小，變換效率高。

3.2 直流變壓器在級聯(lián)式雙向DC/DC變換器中的應(yīng)用

在一些既需要電壓調(diào)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(yīng)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)能量的雙向傳輸，是一種新穎的BDC 方案。

文獻[6]采用具有調(diào)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(gòu)成了兩級式BDC，如圖10所示。能量從V1流向V2時，開關(guān)管S3、S4為同步整流工作;能量從V2流向V1時，開關(guān)管S1、S2為同步整流工作。級聯(lián)式BDC的主開關(guān)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(gòu)成方案的新型結(jié)構(gòu)。級聯(lián)式BDC的兩部分電路可分別優(yōu)化設(shè)計、功率密度高、適用于大變比變換的應(yīng)用場合。

3.3 直流變壓器在航空靜止變流器中的應(yīng)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(shè)備的不斷增加，對飛機電源系統(tǒng)的供電質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡單，利于模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了高功率密度、換效率、高可靠性和高電能質(zhì)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(yīng)速度快，大大提高了ASI的性能。

文獻[7]提出了文獻提出了一種雙正激式高壓直流變壓器如圖11所示。開關(guān)管的電壓應(yīng)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(guān)管的ZVS開關(guān)，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。

4. 結(jié) 語

本文對直流變壓器的提出背景、定義、電路的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)軟開關(guān)，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(jié)構(gòu)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(yīng)用。