直流变压器及其在两级功率变换中的应用

摘要：本文详细的阐述了直流变压器的基本概念, 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。采用开环控制，恒占空比工作，电路结构简单，易于实现高频软开关和高功率密度，变换效率高。最后系统的总结了直流变压器在两级结构的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。

叙词：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：直流变压器;两级结构;电压调节模块; 双向变换器;航空静止变流器

1.引 言

信息技术特别是微处理器领域迅猛发展，微处理器内部的集成晶体管数量急剧增加，如图1所示，对分布式电源系统的供电性能提出了更高的要求。分布式电源系统中的核心部件——电压调节模块(Voltage Regulator Modules,简称 VRM)的发展趋势是:1)输入母线电压不断提高，未来的计算机VRM将把输入母线电压提高到48V，减小母线损耗，提高效率，同时大大减小输入滤波器的体积，

提高电压调节的瞬态响应速度。2)输出电压越来越低，输出电流越来越大，满足计算机芯片对电源容量的不断增加，而且低的稳态工作电压可以提高微处理器的速度。3)负载变化率越来越高，要求VRM有更好的瞬态响应性能。图2是Intel公司CPU的工作电压电流发展趋势图，负载变换率在不远的未来将会高达150A/us [1,2,3]。

如何保证电源的高可靠性，如何进一步提高变换器的功率密度，在高频化的同证高效率，实现具有低电压、大电流、动态响应速度快、高稳定度输出等优良性能的高质量电源系统是当前研究的关键问题。近年来，以Fred.C.Lee为首的学者提出了“直流变压器”(DC/DC Transformer)的概念，在VRM中采用两级功率变换结构[3]。

本文详细的阐述了直流变压器的基本概念,归纳了直流变压器的基本电路结构，并系统的总结了直流变压器在三种不同的两级功率变换场合的应用。

2. 直流变压器的基本概念

2.1 直流变压器概念的提出背景

为了进一步提高微处理器的运算速度，下一代计算机微处理器的工作电压将降到1.0V以下，同时输出功率不断增加，为了减小母线损耗，计算机VRM将把输入母线电压提高到48V。VRM的高频化可以大大减小输出滤波电容和滤波电感的体积，提高功率密度，减少成本。然而传统的单级结构的48V VRM变换器很难在保持高效率的同时实现高频化，开关频率只有大约200-300KHz。相对较低的开关频率使VRM需要较大的输出滤波电容和滤波电感，不仅增加了VRM的体积和成本，而且很难集成到计算机的微处理器中去。一般来说，输出滤波电容是VRM最昂贵的部件之一。为此，美国弗吉尼亚电力电子中心以Fred.C.Lee为首的学者提出了两级结构的48V VRM[3,4]，将不隔离的电压调节模块和直流变压器级联，大大提高了VRM的开关频率。直流变压器电路结构简单，恒占空比工作，起隔离和降压的作用，利用变压器漏感实现能量的传输，不需输出滤波电感，同时实现了所有开关管的软开关，效率高。

2.2 直流变压器的定义和功用

直流变换器有两种基本类型[6]：即输出稳压的DC/DC变换器和输出电压随输入调节的“直流变压器”(DC/DC Transformer) 。直流变压器和交流变压器类似，将一种直流电压变换成另一种或多种直流电压;通过高频斩波-变压器隔离-高频整流来实现一种直流电压到与之成正比的另一种或多种直流电压的变换，可用于功率传输和电压检测等场合。

2.3 理想直流变压器的基本要求

理想直流变压器的基本要求为：

①实现输入输出电压的电气隔离和输入输出的比例关系，并可以实现多路输出;

②利用变压器漏感进行能量传输[3,4]，无能耗，变换效率为1，功率密度高;

③ 输出不需滤波电感，可以减小大大输出滤波器的体积和重量，动态性能好，瞬态响应速度快;

④ 系统频带宽，能够不失真地传输电压;

⑤ 采用开环控制，控制电路简单，易于实现软开关，可以进一步提高开关频率;

⑥ 可靠性高，对电源和用电设备电磁干扰小。

2. 4 直流变压器的类型

按变换器能量传输能力的角度，直流变压器可以分为单向直流变压器和双向直流变压器;此外通过直流变压器的并联与串联组合可以构成组合式直流变压器。

2. 5 直流变压器的基本电路结构

图3为直流变压器的基本电路结构，其中Lr 为变压器漏感(或少量串联电感)，原边高频逆变电路可以是推挽、半桥、全桥、推挽正激、双管正激、有源箝位正激、谐振复位正激和不对称半桥等电路拓扑;副边整流滤波电路，如图4所示，可以是不带输出滤波电感的半波整流、全波整流、全桥整流和推挽正激整流电路，整流二极管可以换成同步整流管，减小通态损耗。将副边整流二极管换成双向的开关管可以构成双向直流变压器，图5是双向半桥直流变压器。反激、双管反激和正-反激以及双管正-反激电路由于变压器起着电感和变压器的双重作用，变压器需要储能，不能进行能量的直接传输，所以不适合用作直流变压器。满足理想直流变压器基本要求的电路结构为：