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直流變壓器的作用及其應(yīng)用

更新更新時(shí)間:2021-09-07      點(diǎn)擊次數(shù):1632

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,如圖1所示,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(diào)節(jié)模塊(Voltage Regulator Modules,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(jì)算機(jī)VRM將把輸入母線電壓提高到48V,減小母線損耗,提高效率,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)輸出電壓越來越低,輸出電流越來越大,滿足計(jì)算機(jī)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(fù)載變化率越來越高,要求VRM有更好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。圖2是Intel公司CPU的工作電壓電流發(fā)展趨勢圖,負(fù)載變換率在不遠(yuǎn)的未來將會高達(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,在高頻化的同證高效率,實(shí)現(xiàn)具有低電壓、大電流、動態(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)鍵問題。近年來,以Fred.C.Lee為首的學(xué)者提出了“直流變壓器"(DC/DC Transformer)的概念,在VRM中采用兩級功率變換結(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功率變換場合的應(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)的單級結(jié)構(gòu)的48V VRM變換器很難在保持高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻化,開關(guān)頻率只有大約200-300KHz。相對較低的開關(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。一般來說,輸出濾波電容是 VRM最昂貴的部件之一。為此,美國弗吉尼亞電力電子中心以Fred.C.Lee為首的學(xué)者提出了兩級結(jié)構(gòu)的48V VRM,將不隔離的電壓調(diào)節(jié)模塊和直流變壓器級聯(lián),大大提高了VRM的開關(guān)頻率。直流變壓器電路結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)能量的傳輸,不需輸出濾波電感,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟開關(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/DC Transformer) 。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(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(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,無能耗,變換效率為1,功率密度高

③ 輸出不需濾波電感,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(yīng)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(shí)現(xiàn)軟開關(guān),可以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率

⑥ 可靠性高,對電源和用電設(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。


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