直流变压器及其在两级功率变换中的应用
① Lr 尽量小;Lr 越小，线路压降越小， 越能保证直流变压器输入、输出的正比关系。
② 直流变压器中不含有大的储能元件;储能元件小是保证频带宽度的条件，这就要求系统占空比尽量接近1，系统滤波元件小。
③ 实现零电压开关;实现零电压开关有助于提高变换效率，漏感Lr越大越容易实现开关管零电压 开通。开关管并联电容有利于开关管的零电压关断，但同时造成了零电压开通困难[3,6]。
3.1 直流变压器在VRM中的应用
现在国外提出的两级结构的VRM可以分为两类，如图6、7所示[3]。在图6中，前级直流变压器采用开环控制，恒占空比工作，起着隔离和变压的作用，后级用来实现输出电压的调节，图7反之。由于图6结构的反馈电路不需要隔离，所以VRM瞬态响应更快，因此两级式VRM更多的是采用图6结构。直流变压器在接近100%的等效占空比下工作，起着隔离和变压的作用。利用变压器的漏感实现能量的传输，输出不需滤波电感，变换效率高;采用开环控制，控制电路简单;易于实现软开关，可进一步提高开关频率，提高功率密度，同时大大减小了滤波器的体积，提高了系统的动态性能，适用于未来的高效率高功率密度的VRM。
文献[3]提出了一种两级结构的48V VRM，电路由有源箝位正激直流变压器和多相交错并联的同步整流BUCK变换器级联组成，如图8所示。BUCK电路的工作频率为1MHz, 大大减小了输出滤波器的体积，提高了VRM的功率密度和瞬态响应速度。有源箝位正激直流变压器电路结构简单，去除了传统有源箝位正激变换器的输出电感和续流二极管，由于输出电容的箝位，副边整流管上不存在电压尖峰，可以选择电压定额较低的整流管，减小了通态损耗。利用变压器磁化电流实现开关管的零电压开关，同时减小输出滤波电容，和漏感发生谐振，实现零电流关断。满载时，这种两级结构的VRM效率高达96.5%。
文献[5]提出了一种由多相交错并联的同步整流BUCK变换器和推挽直流变压器级联构成的24V VRM，如图9所示。推挽直流变压器恒占空比工作，开关管的占空比为50%。并将这种两级结构的VRM和单级VRM比较，在相同的开关频率下，两级结构的VRM大大提高了动态响应速度和负载变化率，通态损耗小，变换效率高。
3.2 直流变压器在级联式双向DC/DC变换器中的应用
在一些既需要电压调节，又需要电气隔离的双向DC/DC变换器(Bi-directional DC/DC converter简称BDC) 应用场合中，可以采用非隔离的双向直流变换器和双向直流变压器级联的结构，实现能量的双向传输，是一种新颖的BDC 方案。
文献[6]采用具有调压功能的Buck/Boost BDC 和具有隔离变压功能的双向推挽正激直流变压器级联，构成了两级式BDC，如图10所示。能量从V1流向V2时，开关管S3、S4为同步整流工作;能量从V2流向V1时，开关管S1、S2为同步整流工作。级联式BDC的主开关管全部实现了ZVS，变换效率高。在级联式BDC 中，由于DCT 级占空比接近1、惯性小、频带宽，不影响级联式BDC 的控制模型。级联式双向DC/DC变换器是BDC构成方案的新型结构。级联式BDC的两部分电路可分别优化设计、功率密度高、适用于大变比变换的应用场合。
3.3 直流变压器在航空静止变流器中的应用
航空静止变流器(Aeronautical Static Inverter简称ASI)是飞机电源系统的二次电源，随着飞机作战性能的提高和机载用电设备的不断增加，对飞机电源系统的供电质量和可靠性都提出了更高的要求。现在的中、大功率三相ASI一般采用两级结构，在输入电压变化范围较小的场合采用高频隔离的直流变压器和三相逆变器级联组成，结构简单，利于模块化设计，实现了高功率密度、换效率、高可靠性和高电能质量。前级采用直流变压器，起隔离和变压的作用，为后级逆变器提供输入电压。后级采用单相或三相逆变器，进行电压闭环控制，逆变器具有稳压功能，输出电压失真度小，动态响应速度快，大大提高了ASI的性能。
文献[7]提出了文献提出了一种双正激式高压直流变压器如图11所示。开关管的电压应力低而且不存在桥臂直通的危险，可靠性高;在接近100%的等效占空比下工作，利用变压器漏感实现了开关管的ZVS开关，而且由于没有输出滤波电感，通过滤波电容的箝位作用基本消除了副边整流二极管的电压尖峰，变换效率高。
4. 结 语
本文对直流变压器的提出背景、定义、电路的基本结构等基本概念进行了详细的阐述。直流变压器利用变压器漏感能量实现能量的传输，不需输出滤波电感，电路结构简单，易于实现软开关，采用开环控制，恒占空比工作，起变压和隔离的作用，变换效率高。并归纳分析了直流变压器的在两级结构的VRM、级联式双向DC/DC变换器以及航空静止变流器三种不同的两级功率变换场合的应用。
评论