工控摘要：信息技術特別是微處理器領域迅猛發(fā)展，微處理器內部的集成晶體管數(shù)量急劇增加，對分布式電源系統(tǒng)的供電性能提出了更高的要求。如何保證電源的高可靠性，如何進一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證率，實現(xiàn)具有低電壓、大電流、動態(tài)響應速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質量電源系統(tǒng)是當前研究的關鍵問題。
　　
　　如何保證電源的高可靠性，如何進一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證率，實現(xiàn)具有低電壓、大電流、動態(tài)響應速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質量電源系統(tǒng)是當前研究的關鍵問題。
　　
　　信息技術特別是微處理器領域迅猛發(fā)展，微處理器內部的集成晶體管數(shù)量急劇增加，對分布式電源系統(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——電壓調節(jié)模塊（VoltageRegulatorModules，簡稱VRM）的發(fā)展趨勢是：1）輸入母線電壓不斷提高，未來的計算機VRM將把輸入母線電壓提高到48V，減小母線損耗，提率，同時大大減小輸入濾波器的體積，提高電壓調節(jié)的瞬態(tài)響應速度。2）輸出電壓越來越低，輸出電流越來越大，滿足計算機芯片對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）負載變化率越來越高，要求VRM有更好的瞬態(tài)響應性能。是In公司CPU的工作電壓電流發(fā)展趨勢圖，負載變換率在不遠的未來將會高達150A/us。
　　
　　如何保證電源的高可靠性，如何進一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證率，實現(xiàn)具有低電壓、大電流、動態(tài)響應速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質量電源系統(tǒng)是當前研究的關鍵問題。近年來，以Fred.C.Lee為首的學者提出了“直流變壓器”（DC/DCTransformer）的概念，在VRM中采用兩級功率變換結構。
　　
　　本文詳細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構，并系統(tǒng)的總結了直流變壓器在三種不同的兩級功率變換場合的應用。
　　
　　直流變壓器的基本概念
　　
　　1直流變壓器概念的提出背景
　　
　　為了進一步提高微處理器的運算速度，下一代計算機微處理器的工作電壓將降到1.0V以下，同時輸出功率不斷增加，為了減小母線損耗，計算機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)的單級結構的48VVRM變換器很難在保持率的同時實現(xiàn)高頻化，開關頻率只有大約200-300KHz。相對較低的開關頻率使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，而且很難集成到計算機的微處理器中去。一般來說，輸出濾波電容是VRMzui昂貴的部件之一。為此，美國弗吉尼亞電力電子中心以Fred.C.Lee為首的學者提出了兩級結構的48VVRM，將不隔離的電壓調節(jié)模塊和直流變壓器級聯(lián)，大大提高了VRM的開關頻率。直流變壓器電路結構簡單，恒占空比工作，起隔離和降壓的作用，利用變壓器漏感實現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感，同時實現(xiàn)了所有開關管的軟開關，效率高。
　　
　　2直流變壓器的定義和功用
　　
　　直流變換器有兩種基本類型：即輸出穩(wěn)壓的DC/DC變換器和輸出電壓隨輸入調節(jié)的“直流變壓器”（DC/DCTransformer）。直流變壓器和交流變壓器類似，將一種直流電壓變換成另一種或多種直流電壓;通過高頻斬波-變壓器隔離-高頻整流來實現(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等場合。
　　
　　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實現(xiàn)輸入輸出電壓的電氣隔離和輸入輸出的比例關系，并可以實現(xiàn)多路輸出
　　
　?、诶米儔浩髀└羞M行能量傳輸，無能耗，變換效率為1，功率密度高
　　
　?、圯敵霾恍铻V波電感，可以減小大大輸出濾波器的體積和重量，動態(tài)性能好，瞬態(tài)響應速度快
　　
　　④系統(tǒng)頻帶寬，能夠不失真地傳輸電壓
　　
　　⑤采用開環(huán)控制，控制電路簡單，易于實現(xiàn)軟開關，可以進一步提高開關頻率
　　
　　⑥可靠性高，對電源和用電設備電磁干擾小。
　　
　　4直流變壓器的類型
　　
　　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;此外通過直流變壓器的并聯(lián)與串聯(lián)組合可以構成組合式直流變壓器。
　　
　　5直流變壓器的基本電路結構
　　
　　圖3為直流變壓器的基本電路結構，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、諧振復位正激和不對稱半橋等電路拓撲;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關管可以構成雙向直流變壓器，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，變壓器需要儲能，不能進行能量的直接傳輸，所以不適合用作直流變壓器。滿足理想直流變壓器基本要求的電路結構為：
　　
　?、貺r盡量小;Lr越小，線路壓降越小，越能保證直流變壓器輸入、輸出的正比關系。
　　
　?、谥绷髯儔浩髦胁缓写蟮膬δ茉?儲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實現(xiàn)零電壓開關;實現(xiàn)零電壓開關有助于提高變換效率，漏感Lr越大越容易實現(xiàn)開關管零電壓開通。開關管并聯(lián)電容有利于開關管的零電壓關斷，但同時造成了零電壓開通困難。
　　
　　直流變壓器在兩級功率變換中的應用
　　
　　1直流變壓器在VRM中的應用
　　
　　電路由有源箝位正激直流變壓器和多相交錯并聯(lián)的同步整流BUCK變換器級聯(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)響應速度。有源箝位正激直流變壓器電路結構簡單，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現(xiàn)開關管的零電壓開關，同時減小輸出濾波電容，和漏感發(fā)生諧振，實現(xiàn)零電流關斷。滿載時，這種兩級結構的VRM效率高達96.5%。
　　
　　由多相交錯并聯(lián)的同步整流BUCK變換器和推挽直流變壓器級聯(lián)構成的24VVRM，如圖9所示。推挽直流變壓器恒占空比工作，開關管的占空比為50%。并將這種兩級結構的VRM和單級VRM比較，在相同的開關頻率下，兩級結構的VRM大大提高了動態(tài)響應速度和負載變化率，通態(tài)損耗小，變換效率高。
　　
　　2直流變壓器在級聯(lián)式雙向DC/DC變換器中的應用
　　
　　在一些既需要電壓調節(jié)，又需要電氣隔離的雙向DC/DC變換器（Bi-directionalDC/DCconverter簡稱BDC）應用場合中，可以采用非隔離的雙向直流變換器和雙向直流變壓器級聯(lián)的結構，實現(xiàn)能量的雙向傳輸，是一種新穎的BDC方案。
　　
　　具有調壓功能的Buck/BoostBDC和具有隔離變壓功能的雙向推挽正激直流變壓器級聯(lián)，構成了兩級式BDC，如圖10所示。能量從V1流向V2時，開關管S3、S4為同步整流工作;能量從V2流向V1時，開關管S1、S2為同步整流工作。級聯(lián)式BDC的主開關管全部實現(xiàn)了ZVS，變換效率高。在級聯(lián)式BDC中，由于DCT級占空比接近1、慣性小、頻帶寬，不影響級聯(lián)式BDC的控制模型。級聯(lián)式雙向DC/DC變換器是BDC構成方案的新型結構。級聯(lián)式BDC的兩部分電路可分別優(yōu)化設計、功率密度高、適用于大變比變換的應用場合。
　　
　　3直流變壓器在航空靜止變流器中的應用
　　
　　航空靜止變流器（AeronauticalStaticInverter簡稱ASI）是飛機電源系統(tǒng)的二次電源，隨著飛機*性能的提高和機載用電設備的不斷增加，對飛機電源系統(tǒng)的供電質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一般采用兩級結構，在輸入電壓變化范圍較小的場合采用高頻隔離的直流變壓器和三相逆變器級聯(lián)組成，結構簡單，利于模塊化設計，實現(xiàn)了高功率密度、換效率、高可靠性和高電能質量。前級采用直流變壓器，起隔離和變壓的作用，為后級逆變器提供輸入電壓。后級采用單相或三相逆變器，進行電壓閉環(huán)控制，逆變器具有穩(wěn)壓功能，輸出電壓失真度小，動態(tài)響應速度快，大大提高了ASI的性能。
　　
　　雙正激式高壓直流變壓器開關管的電壓應力低而且不存在橋臂直通的危險，可靠性高;在接近*的等效占空比下工作，利用變壓器漏感實現(xiàn)了開關管的ZVS開關，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。
　　
　　在輕負載時，LT3080的設定引腳電平保持為負值。當固定穩(wěn)壓器和LT3080上的負載均增加時，鎮(zhèn)流電阻兩端的壓降將緩慢地接通LT3080，這樣就提供了輸出電流的一部分。當鎮(zhèn)流電阻為20mΩ且總輸出電流為2A時，LT3080將供應大約75%～80%的輸出電流。為了實現(xiàn)較為精密的輸出電流匹配，必須增加鎮(zhèn)流電阻。
　　
　　在許多類型的應用中，電流源都是很有用的組件。LT3080可提供一個具有DC性能的“二端”電流源。由于LT3080必需含有一個輸出電容器（用于提供頻率補償），因此使得該器件的適用性略有下降，原因是它不能用作一個AC電流源。不過，LT3080具有非常高的增益，因而允許利用小幅壓降來確定輸出電流，并產生非常高的DC輸出阻抗。
　　
　　在一個阻值為10kΩ的設定電阻兩端將產生約100mV的電壓降。這100mV電壓降也會出現(xiàn)在電流設定電阻的兩端，并把總輸出電流設定為0.1V除以輸出設定電阻阻值（加10μA）。如果需要，可以采用較高的壓降來改善準確度。
　　
　　頻率補償利用一個連接在輸入引腳和輸出端之間的電容器來實現(xiàn)。通過按圖示的方法進行頻率補償配置，流過電容器的電流將被包含在反饋環(huán)路之內，而且不會作為電容出現(xiàn)在器件的兩端。如果輸入電壓發(fā)生變化，則電流將會由于電壓變化的原因而流過電容器。而且AC輸出阻抗將減少。LT3080的低設定電流以及穩(wěn)壓環(huán)路的高增益使其成為一款出色的電流調節(jié)器。憑借一個僅0.3mA的低靜態(tài)電流，該電路適合于低至1mA或高至1A的電流源。電流源的溫度系數(shù)是穩(wěn)壓器的溫度系數(shù)加上電阻阻值隨溫度而發(fā)生的變化所產生的任何漂移。
　　
　　由于LT3080能夠在低至0V的電壓條件下運作，因而使其成為通用型試驗室電源的合適之選。然而，如果工作電壓范圍很高，圖5中的電路示出了一個與LT3080相連的開關預穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器通過把輸入電壓控制在比輸出高大約1.5V的電平上而將功耗抑制在低至1.5W左右。
　　
　　LT3080被連接至一個P溝道FET的柵極和源極。該P溝道FET的“接通”門限設定了LT3080兩端的壓差電壓。P溝道FET的漏極與一個開關穩(wěn)壓器的反饋引腳相連。
　　
　　當該電路被接通時，開關穩(wěn)壓器輸出將上升，直到流過P溝道FET的電流足以使反饋引腳（FB）的電壓升至1.2V為止，這會降低開關穩(wěn)壓器的輸出。LT3080隨后將在其兩端加有約一個MOS門限電壓的條件下運作。調整LT3080的設定電阻可設定輸出電壓，且輸入電壓將跟蹤比輸出高1.5V的電壓。
　　
　　這里采用的是一個PNP的射極-基極電壓，而不是P溝道FET的門限電壓。當把多個LT3080器件并聯(lián)起來以提供高電流時，以確保在控制電路兩端具有足夠的工作電壓。同樣，開關穩(wěn)壓器將跟蹤輸出，而且輸出可被調節(jié)低至0V。