直流變壓器及其在兩級功率變換中的應(yīng)用

摘要：本文詳細(xì)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)高頻軟開關(guān)和高功率密度，變換效率高。最后系統(tǒng)的總結(jié)了直流變壓器在兩級結(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。

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(jié)構(gòu);電壓調(diào)節(jié)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(nèi)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(diào)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(jī)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(diào)節(jié)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。2)輸出電壓越來越低，輸出電流越來越大，滿足計算機(jī)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(fù)載變化率越來越高，要求VRM有更好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。圖2是Intel公司CPU的工作電壓電流發(fā)展趨勢圖，負(fù)載變換率在不遠(yuǎn)的未來將會高達(dá)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，實現(xiàn)具有低電壓、大電流、動態(tài)響應(yīng)速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質(zhì)量電源系統(tǒng)是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問題。近年來，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(jié)構(gòu)[3]。

本文詳細(xì)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(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)的總結(jié)了直流變壓器在三種不同的兩級功率變換場合的應(yīng)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(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)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(guān)頻率只有大約200-300KHz。相對較低的開關(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(jī)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(xué)者提出了兩級結(jié)構(gòu)的48V VRM[3,4]，將不隔離的電壓調(diào)節(jié)模塊和直流變壓器級聯(lián)，大大提高了VRM的開關(guān)頻率。直流變壓器電路結(jié)構(gòu)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(guān)管的軟開關(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型[6]：即輸出穩(wěn)壓的DC/DC變換器和輸出電壓隨輸入調(diào)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。

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(xiàn)輸入輸出電壓的電氣隔離和輸入輸出的比例關(guān)系，并可以實現(xiàn)多路輸出;

②利用變壓器漏感進(jìn)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(yīng)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(xiàn)軟開關(guān)，可以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率;

⑥ 可靠性高，對電源和用電設(shè)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(gòu)成組合式直流變壓器。

2. 5 直流變壓器的基本電路結(jié)構(gòu)

圖3為直流變壓器的基本電路結(jié)構(gòu)，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(fù)位正激和不對稱半橋等電路拓?fù)?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(guān)管可以構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)為：