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直流變壓器及其在兩級(jí)功率變換中的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2012-08-31 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:本文詳細(xì)的闡述了的基本概念, 利用漏感能量實(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)和高密度,效率高。最后系統(tǒng)的總結(jié)了變壓器在兩級(jí)結(jié)構(gòu)的VRM、級(jí)聯(lián)式雙向DC/DC器以及航空靜止變流器三種不同的兩級(jí)場(chǎng)合的。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176341.htm

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(chēng) 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(mǎn)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]。

直流變壓器及其在兩級(jí)功率變換中的應(yīng)用 www.21ic.com

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。

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(chēng)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(mǎn)足理想直流變壓器基本要求的電路結(jié)構(gòu)為:


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