直流變壓器及其在兩級(jí)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(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)零電壓開關(guān);實(shí)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(shí)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(shí)造成了零電壓開通困難[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)在國外提出的兩級(jí)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(jí)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(jí)用來實(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;采用開環(huán)控制，控制電路簡單;易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，可進(jìn)一步提高開關(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)開關(guān)管的零電壓開關(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)，開關(guān)管S3、S4為同步整流工作;能量從V2流向V1時(shí)，開關(guān)管S1、S2為同步整流工作。級(jí)聯(lián)式BDC的主開關(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(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)簡單，易于實(shí)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(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。