直流变压器

变压器

直流变压器有两种基本类型，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”。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。

背景

与交流输电相比，高压直流输电具有输送功率容量大、损耗小、输送距离远、稳定性好等特点，而有广阔的应用前景。在高压直流输电系统中整流侧和逆变侧，仍然要工频变压器来实现和交流电网相连，体积大，质量大。直流输电仍然作为交流输电一种辅助功能，没有直接用于用电设备。为了适应将来将高压直流输电直接应用于用电设备，尤其对大规模非并网风力发电等独立电力系统，原方案就显得笨重而不经济。需要具有和交流隔离变压器功能类似的直流变压装置，将高压直流电转换成隔离的满足用电设备要求的低压直流电。

近年来，随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展，通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器--电力电子变压器(PET)得到了越来越多的关注。以美国弗吉尼亚电力电子中心Fred C. Lee为首的学者系统地提出了直流变压器的概念。直流变压器在接近100%的等效占空比下工作，输出省去了滤波电感，结构简单；采用开环控制，易于实现软开关，可进一步提高开关频率，提高功率密度。

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，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的发展趋势是：

（1）输入母线电压不断提高，未来的计算机电压调节模块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要求的不断增加，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，要求电压调节模块有更好的瞬态响应性能。

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，在高频化的同时保证高效率，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。

直流变压器的基本概述

直流变压器的功用

直流变换器有两种基本类型，即输出稳压的DC-DC变换器和输出电压随输人调节的“直流变压器”。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。

理想直流变压器的基本要求

（1）实现输入输出电压的电气隔离和输人输出的比例关系，并可以实现多路输出；

（2）利用变压器漏感进行能量传输，无能耗，变换效率为1，功率密度高；

（3）输出不需滤波电感，可以大大减小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。

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。

直流变压器的基本电路结构

图1示出了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、有源籍位正激、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2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3所示为双向半桥直流变压器电路结构。包括反激、双管反激和正一反激以及双管正一反激电路。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可描述如下：

（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。系统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。

直流变压器在两级功率变换中的应用

直流变压器在电压调节模块中的应用

国外提出的两级结构的电压调节模块可以分为两类，如右图4、图5所示。右图4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5则与之相反。由于图4所示结构的反馈电路不需要隔离，所以电压调节模块瞬态响应更快，因此两级式电压调节模块更多的是采用此种结构。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电压调节模块。

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(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。其结构如图6所示。

直流变压器在航空静止变流器中的应用

航空静止变流器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。中大功率三相航空静止变流器一般采用两级结构，在输人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、高变换效率、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人电压。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，大大提高了航空静止变流器的性能。

直流变压器在电力传输中的应用

LLC谐振型软开关直流变压器

LLC谐振变换器是一种实用的软开关直流变换器。LLC谐振型直流变压器的拓扑如图7所示。一个开关周期内，LLC谐振型直流变压器共有六个阶段。根据桥臂的对偶性，这六个阶段可以分为三种模态，分别是：结电容充放电模态、开关管体二极管续流模态和开关管导通模态。这些模态和输出稳压的LLC谐振变换器类似。

双向CLLLC谐振型直流变压器

双向全桥CLLLC谐振变换器如图8所示。该谐振变换器可实现双向传输功率且无论正向还是反向工作时，都具备LLC变换器的软开关特性，不需要额外的缓冲电路。

直流自藕变压器

直流自藕变压器拓扑如图9所示，该直流自藕变压器用于连接两个电压等级不同的直流系统GRID1和GRID2。两个直流系统的额定正极、负极电压分别为E1和E2。为分析方便，记E1

3个VSC换流器的交流侧经过一定的变压器、相电抗电路连接至交流公共母线B,。由于VSC1和VSC3采用非对称结构(直流中性点不接地)。为了消除VSC1和VSC3的中性点偏移，VSC1和VSC3的变压器采用Y/4接线方式。与常规LCC类似，变压器靠近变频器侧采用△接线方式。

结语

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。归纳分析了直流变压器在两级结构的电压调节模块、级联式双向DC-DC变换器以、航空静止变流器、LLC谐振型软开关直流变压器、双向CLLLC谐振型直流变压器、直流自藕变压器进行了说明，每种变压器的应用场景不同。

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