直流變壓器及其在兩級(jí)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)高頻軟開(kāi)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(jí)結(jié)構(gòu)的VRM、級(jí)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(jí)功率變換場(chǎng)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(jí)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(duì)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(jiǎn)稱 VRM)的發(fā)展趨勢(shì)是:1)輸入母線電壓不斷提高，未來(lái)的計(jì)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(shí)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(lái)越低，輸出電流越來(lái)越大，滿足計(jì)算機(jī)芯片對(duì)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(lái)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(shì)圖，負(fù)載變換率在不遠(yuǎn)的未來(lái)將會(huì)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(shí)現(xiàn)具有低電壓、大電流、動(dòng)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(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(jí)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(jí)功率變換場(chǎng)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(yùn)算速度，下一代計(jì)算機(jī)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，為了減小母線損耗，計(jì)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(jí)結(jié)構(gòu)的48V VRM變換器很難在保持高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻化，開(kāi)關(guān)頻率只有大約200-300KHz。相對(duì)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(jì)算機(jī)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(guó)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(jí)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(jí)聯(lián)，大大提高了VRM的開(kāi)關(guān)頻率。直流變壓器電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感，同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(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(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(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(cè)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(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(shí)現(xiàn)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(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(kāi)環(huán)控制，控制電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)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(duì)電源和用電設(shè)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(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(duì)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(kāi)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(chǔ)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：[!--empirenews.page--]

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(chǔ)能元件;儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān);實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)有助于提高變換效率，漏感Lr越大越容易實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓 開(kāi)通。開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容有利于開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷，但同時(shí)造成了零電壓開(kāi)通困難[3,6]。

3. 直流變壓器在兩級(jí)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(guó)外提出的兩級(jí)結(jié)構(gòu)的VRM可以分為兩類(lèi)，如圖6、7所示[3]。在圖6中，前級(jí)直流變壓器采用開(kāi)環(huán)控制，恒占空比工作，起著隔離和變壓的作用，后級(jí)用來(lái)實(shí)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(jí)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(shí)現(xiàn)能量的傳輸，輸出不需濾波電感，變換效率高;采用開(kāi)環(huán)控制，控制電路簡(jiǎn)單;易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率，提高功率密度，同時(shí)大大減小了濾波器的體積，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，適用于未來(lái)的高效率高功率密度的VRM。

文獻(xiàn)[3]提出了一種兩級(jí)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(cuò)并聯(lián)的同步整流BUCK變換器級(jí)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，同時(shí)減小輸出濾波電容，和漏感發(fā)生諧振，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。滿載時(shí)，這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)的VRM效率高達(dá)96.5%。

文獻(xiàn)[5]提出了一種由多相交錯(cuò)并聯(lián)的同步整流BUCK變換器和推挽直流變壓器級(jí)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(kāi)關(guān)管的占空比為50%。并將這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)的VRM和單級(jí)VRM比較，在相同的開(kāi)關(guān)頻率下，兩級(jí)結(jié)構(gòu)的VRM大大提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和負(fù)載變化率，通態(tài)損耗小，變換效率高。

3.2 直流變壓器在級(jí)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(jiǎn)稱BDC) 應(yīng)用場(chǎng)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(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，是一種新穎的BDC 方案。

文獻(xiàn)[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(jí)聯(lián)，構(gòu)成了兩級(jí)式BDC，如圖10所示。能量從V1流向V2時(shí)，開(kāi)關(guān)管S3、S4為同步整流工作;能量從V2流向V1時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1、S2為同步整流工作。級(jí)聯(lián)式BDC的主開(kāi)關(guān)管全部實(shí)現(xiàn)了ZVS，變換效率高。在級(jí)聯(lián)式BDC 中，由于DCT 級(jí)占空比接近1、慣性小、頻帶寬，不影響級(jí)聯(lián)式BDC 的控制模型。級(jí)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(jí)聯(lián)式BDC的兩部分電路可分別優(yōu)化設(shè)計(jì)、功率密度高、適用于大變比變換的應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)稱ASI)是飛機(jī)電源系統(tǒng)的二次電源，隨著飛機(jī)作戰(zhàn)性能的提高和機(jī)載用電設(shè)備的不斷增加，對(duì)飛機(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)，在輸入電壓變化范圍較小的場(chǎng)合采用高頻隔離的直流變壓器和三相逆變器級(jí)聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高功率密度、換效率、高可靠性和高電能質(zhì)量。前級(jí)采用直流變壓器，起隔離和變壓的作用，為后級(jí)逆變器提供輸入電壓。后級(jí)采用單相或三相逆變器，進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，大大提高了ASI的性能。

文獻(xiàn)[7]提出了文獻(xiàn)提出了一種雙正激式高壓直流變壓器如圖11所示。開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力低而且不存在橋臂直通的危險(xiǎn)，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(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)關(guān)，而且由于沒(méi)有輸出濾波電感，通過(guò)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(yǔ)

本文對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的闡述。直流變壓器利用變壓器漏感能量實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，采用開(kāi)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(jí)結(jié)構(gòu)的VRM、級(jí)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(jí)功率變換場(chǎng)合的應(yīng)用。[!--empirenews.page--]

參考文獻(xiàn)

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