工控摘要：信息技術(shù)特別是微處理器領(lǐng)域迅猛發(fā)展，微處理器內(nèi)部的集成晶體管數(shù)量急劇增加，對(duì)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(jìn)一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證率，實(shí)現(xiàn)具有低電壓、大電流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質(zhì)量電源系統(tǒng)是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　
　　如何保證電源的高可靠性，如何進(jìn)一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證率，實(shí)現(xiàn)具有低電壓、大電流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質(zhì)量電源系統(tǒng)是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　
　　信息技術(shù)特別是微處理器領(lǐng)域迅猛發(fā)展，微處理器內(nèi)部的集成晶體管數(shù)量急劇增加，對(duì)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(diào)節(jié)模塊（VoltageRegulatorModules，簡(jiǎn)稱VRM）的發(fā)展趨勢(shì)是：1）輸入母線電壓不斷提高，未來(lái)的計(jì)算機(jī)VRM將把輸入母線電壓提高到48V，減小母線損耗，提率，同時(shí)大大減小輸入濾波器的體積，提高電壓調(diào)節(jié)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。2）輸出電壓越來(lái)越低，輸出電流越來(lái)越大，滿足計(jì)算機(jī)芯片對(duì)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(fù)載變化率越來(lái)越高，要求VRM有更好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。是In公司CPU的工作電壓電流發(fā)展趨勢(shì)圖，負(fù)載變換率在不遠(yuǎn)的未來(lái)將會(huì)高達(dá)150A/us。
　　
　　如何保證電源的高可靠性，如何進(jìn)一步提高變換器的功率密度，在高頻化的同證率，實(shí)現(xiàn)具有低電壓、大電流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、高穩(wěn)定度輸出等優(yōu)良性能的高質(zhì)量電源系統(tǒng)是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，以Fred.C.Lee為首的學(xué)者提出了“直流變壓器”（DC/DCTransformer）的概念，在VRM中采用兩級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)。
　　
　　本文詳細(xì)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(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)的總結(jié)了直流變壓器在三種不同的兩級(jí)功率變換場(chǎng)合的應(yīng)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(jìn)一步提高微處理器的運(yùn)算速度，下一代計(jì)算機(jī)微處理器的工作電壓將降到1.0V以下，同時(shí)輸出功率不斷增加，為了減小母線損耗，計(jì)算機(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)的48VVRM變換器很難在保持率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻化，開(kāi)關(guān)頻率只有大約200-300KHz。相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)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(jì)算機(jī)的微處理器中去。一般來(lái)說(shuō)，輸出濾波電容是VRMzui昂貴的部件之一。為此，美國(guó)弗吉尼亞電力電子中心以Fred.C.Lee為首的學(xué)者提出了兩級(jí)結(jié)構(gòu)的48VVRM，將不隔離的電壓調(diào)節(jié)模塊和直流變壓器級(jí)聯(lián)，大大提高了VRM的開(kāi)關(guān)頻率。直流變壓器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，恒占空比工作，起隔離和降壓的作用，利用變壓器漏感實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，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(diào)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(guò)高頻斬波-變壓器隔離-高頻整流來(lái)實(shí)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(cè)等場(chǎng)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：
　　
　?、賹?shí)現(xiàn)輸入輸出電壓的電氣隔離和輸入輸出的比例關(guān)系，并可以實(shí)現(xiàn)多路輸出
　　
　　②利用變壓器漏感進(jìn)行能量傳輸，無(wú)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(dòng)態(tài)性能好，瞬態(tài)響應(yīng)速度快
　　
　?、芟到y(tǒng)頻帶寬，能夠不失真地傳輸電壓
　　
　?、莶捎瞄_(kāi)環(huán)控制，控制電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率
　　
　?、蘅煽啃愿?，對(duì)電源和用電設(shè)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(guò)直流變壓器的并聯(lián)與串聯(lián)組合可以構(gòu)成組合式直流變壓器。
　　
　　5直流變壓器的基本電路結(jié)構(gòu)
　　
　　圖3為直流變壓器的基本電路結(jié)構(gòu)，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(fù)位正激和不對(duì)稱半橋等電路拓?fù)?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(kāi)關(guān)管可以構(gòu)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(chǔ)能，不能進(jìn)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(jié)構(gòu)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(guān)系。
　　
　?、谥绷髯儔浩髦胁缓写蟮膬?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(kāi)關(guān);實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)有助于提高變換效率，漏感Lr越大越容易實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通。開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容有利于開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷，但同時(shí)造成了零電壓開(kāi)通困難。
　　
　　直流變壓器在兩級(jí)功率變換中的應(yīng)用
　　
　　1直流變壓器在VRM中的應(yīng)用
　　
　　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(jiǎn)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(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)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%。
　　
　　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24VVRM，如圖9所示。推挽直流變壓器恒占空比工作，開(kāi)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(kāi)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。
　　
　　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-directionalDC/DCconverter簡(jiǎn)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。
　　
　　具有調(diào)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(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(kāi)關(guān)管S3、S4為同步整流工作;能量從V2流向V1時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1、S2為同步整流工作。級(jí)聯(lián)式BDC的主開(kāi)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（AeronauticalStaticInverter簡(jiǎn)稱ASI）是飛機(jī)電源系統(tǒng)的二次電源，隨著飛機(jī)*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(jiǎn)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。
　　
　　雙正激式高壓直流變壓器開(kāi)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*的等效占空比下工作，利用變壓器漏感實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的ZVS開(kāi)關(guān)，而且由于沒(méi)有輸出濾波電感，通過(guò)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(fù)載時(shí)，LT3080的設(shè)定引腳電平保持為負(fù)值。當(dāng)固定穩(wěn)壓器和LT3080上的負(fù)載均增加時(shí)，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(dāng)鎮(zhèn)流電阻為20mΩ且總輸出電流為2A時(shí)，LT3080將供應(yīng)大約75%～80%的輸出電流。為了實(shí)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(yīng)用中，電流源都是很有用的組件。LT3080可提供一個(gè)具有DC性能的“二端”電流源。由于LT3080必需含有一個(gè)輸出電容器（用于提供頻率補(bǔ)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(gè)AC電流源。不過(guò)，LT3080具有非常高的增益，因而允許利用小幅壓降來(lái)確定輸出電流，并產(chǎn)生非常高的DC輸出阻抗。
　　
　　在一個(gè)阻值為10kΩ的設(shè)定電阻兩端將產(chǎn)生約100mV的電壓降。這100mV電壓降也會(huì)出現(xiàn)在電流設(shè)定電阻的兩端，并把總輸出電流設(shè)定為0.1V除以輸出設(shè)定電阻阻值（加10μA）。如果需要，可以采用較高的壓降來(lái)改善準(zhǔn)確度。
　　
　　頻率補(bǔ)償利用一個(gè)連接在輸入引腳和輸出端之間的電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)按圖示的方法進(jìn)行頻率補(bǔ)償配置，流過(guò)電容器的電流將被包含在反饋環(huán)路之內(nèi)，而且不會(huì)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(huì)由于電壓變化的原因而流過(guò)電容器。而且AC輸出阻抗將減少。LT3080的低設(shè)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(diào)節(jié)器。憑借一個(gè)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(chǎn)生的任何漂移。
　　
　　由于LT3080能夠在低至0V的電壓條件下運(yùn)作，因而使其成為通用型試驗(yàn)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(gè)與LT3080相連的開(kāi)關(guān)預(yù)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器通過(guò)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(gè)P溝道FET的柵極和源極。該P(yáng)溝道FET的“接通”門(mén)限設(shè)定了LT3080兩端的壓差電壓。P溝道FET的漏極與一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳相連。
　　
　　當(dāng)該電路被接通時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出將上升，直到流過(guò)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(huì)降低開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出。LT3080隨后將在其兩端加有約一個(gè)MOS門(mén)限電壓的條件下運(yùn)作。調(diào)整LT3080的設(shè)定電阻可設(shè)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(gè)PNP的射極-基極電壓，而不是P溝道FET的門(mén)限電壓。當(dāng)把多個(gè)LT3080器件并聯(lián)起來(lái)以提供高電流時(shí)，以確保在控制電路兩端具有足夠的工作電壓。同樣，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將跟蹤輸出，而且輸出可被調(diào)節(jié)低至0V。