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：[!--empirenews.page--]

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. 直流变压器在两级功率变换中的应用

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。[!--empirenews.page--]

参考文献

[1] Xunwei Zhou, Xingzhu Zhang, Jiangang Liu, Pit-Leong Wong, Jiabin Chen, Ho-Pu Wu, Amoroso. L., Fred C. Lee, Chen, D.Y. “Investigation of candidate VRM topologies for future microprocessors,” IEEE，APEC，1998，pp.145-150;

[2] Laszlo Balogh, “A new cascaded topology optimized for efficient DC/DC conversion with large step-down ratios,” Intel Symposium 2000;

[3]　Yuancheng Ren, Ming Xu, Kaiwei Yao and Fred C. Lee，“Two-Stage 48V Power Pod Exploration for 64-Bit Microprocessor，”IEEE，APEC，2003，pp.426-431;

[4]　Yuancheng Ren and Fred C. Lee, “Energy transfer by leakage inductor,” Invention disclosure of Virginia Tech’01;

[5]　Alou, P.， Cobos, J.A.， Prieto, R.， Garcia, O.，Uceda, J，“A two stage voltage regulator module with fast transient response capability，”IEEE，PESC，2003，pp.138-143;

[6]　张方华，双向DC-DC变换器研究，南京航空航天大学博士学位论文，2004年6月;

[7]　双路双管正激变换器拓扑，中国发明专利申请书，专利申请号：200310106252.4，南京航空航天大学，2003年11月。

更多好文：21ic电源