直流變壓器

與交流輸電相比，高壓直流輸電具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠、穩定性好等特點，而有廣闊的應用前景。在高壓直流輸電系統中整流側和逆變側，仍然要工頻變壓器來實現和交流電網相連，體積大，質量大。直流輸電仍然作為交流輸電一種輔助功能，沒有直接用於用電設備。為了適應將來將高壓直流輸電直接應用於用電設備，尤其對大規模非併網風力發電等獨立電力系統，原方案就顯得笨重而不經濟。需要具有和交流隔離變壓器功能類似的直流變壓裝置，將高壓直流電轉換成隔離的滿足用電設備要求的低壓直流電。

近年來，隨着大功率電力電子元器件及其控制技術的發展，通過電力電子變換技術實現電壓變換和能量傳遞的新型變壓器--電力電子變壓器(PET)得到了越來越多的關注 ^[1]  。以美國弗吉尼亞電力電子中心Fred C. Lee ^[1]  為首的學者系統地提出了直流變壓器的概念。直流變壓器在接近100%的等效佔空比下工作，輸出省去了濾波電感，結構簡單；採用開環控制，易於實現軟開關，可進一步提高開關頻率，提高功率密度。

信息技術，特別是微處理器領域迅猛發展，微處理器內部的集成晶體管數量急劇增加，對分佈式電源系統的供電性能提出了更高的要求。分佈式電源系統中的核心部件電壓調節模塊的發展趨勢是 ^[2]  ：

（1）輸入母線電壓不斷提高，未來的計算機電壓調節模塊將把輸入母線電壓提高到48V，減小母線損耗，提高效率，同時大大減小輸入濾波器的體積，提高電壓調節的瞬態響應速度。

（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要求的不斷增加，而且低的穩態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，要求電壓調節模塊有更好的瞬態響應性能。

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，在高頻化的同時保證高效率，實現具有低電壓、大電流、動態響應速度快、高穩定度輸出等優良性能的高質量電源系統是當前研究的關鍵問題。

直流變換器有兩種基本類型，即輸出穩壓的DC-DC變換器和輸出電壓隨輸人調節的“直流變壓器”。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，可用於功率傳輸和電壓檢測等場合 ^[3]  。

（1）實現輸入輸出電壓的電氣隔離和輸人輸出的比例關係，並可以實現多路輸出；

（2）利用變壓器漏感進行能量傳輸，無能耗，變換效率為1，功率密度高；

（3）輸出不需濾波電感，可以大大減小輸出濾波器的體積和重量，動態性能好，瞬態響應速度快；

（4）系統頻帶寬，能夠不失真地傳輸電壓；

（5）採用開環控制，控制電路簡單，易於實現軟開關，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。

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並聯與串聯組合可以構成組合式直流變壓器 ^[3]  。

圖1示出了直流變壓器的基本電路結構，其中Lr為變壓器漏感(或少量串聯電感)，原邊高頻逆變電路可以是推輓、半橋、全橋、推輓正激、雙管正激、有源籍位正激、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2所示，可以是不帶輸出濾波電感的半波整流、全波整流、全橋整流和推輓正激整流電路，整流二極管可以換成同步整流管，減小通態損耗。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3所示為雙向半橋直流變壓器電路結構。包括反激、雙管反激和正一反激以及雙管正一反激電路。由於變壓器起着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可描述如下 ^[4]  ：

（1）Lr儘量小。Lr越小，線路壓降越小，越能保證直流變壓器輸入、輸出的正比關係。

（2）直流變壓器中不含有大的儲能元件。系統儲能元件小是保證頻帶寬度的條件，這就要求系統佔空比儘量接近1，系統濾波元件小。

（3）實現零電壓開關。實現零電壓開關有助於提高變換效率，漏感Lr越大越容易實現開關管零電壓開通。開關管並聯電容有利於開關管的零電壓關斷，但同時造成了零電壓開通困難。

國外提出的兩級結構的電壓調節模塊可以分為兩類，如右圖4、圖5所示。右圖4中，前級直流變壓器採用開環控制，恆佔空比工作。起着隔離和變壓的作用，後級用來實現輸出電壓的調節，圖5則與之相反。由於圖4所示結構的反饋電路不需要隔離，所以電壓調節模塊瞬態響應更快，因此兩級式電壓調節模塊更多的是採用此種結構。直流變壓器在接近100%的等效佔空比下工作。起着隔離和變壓的作用。利用變壓器的漏感實現能量的傳輸，輸出不需濾波電感，變換效率高；採用開環控制，控制電路簡單；易於實現軟開關，可進一步提高開關頻率，提高功率密度，同時大大減小了濾波器的體積。提高了系統的動態性能，適用於未來的高效率高功率密度的電壓調節模塊。

在一些既需要電壓調節.又需要電氣隔離的雙向DC/DC變換器(BDC)應用場合中，可以採用非隔離的雙向直流變換器和雙向直流變壓器級聯的結構，實現能量的雙向傳輸，是一種新穎的BDC方案。其結構如圖6所示。

航空靜止變流器是飛機電源系統的二次電源，隨着飛機作戰性能的提高和機載用電設備的不斷增加，對飛機電源系統的供電質量和可靠性都提出了更高的要求。中大功率三相航空靜止變流器一般採用兩級結構，在輸人電壓變化範圍較小的場合採用高頻隔離的直流變壓器和三相逆變器級聯組成，結構簡單。利於模塊化設計。實現了高功率密度、高變換效率、高可靠性和高電能質量。前級採用直流變壓器，起隔離和變壓的作用，為後級逆變器提供輸人電壓。後級採用單相或三相逆變器，進行電壓閉環控制，逆變器具有穩壓功能，輸出電壓失真度小，動態響應速度快，大大提高了航空靜止變流器的性能。

LLC諧振變換器是一種實用的軟開關直流變換器。LLC諧振型直流變壓器的拓撲如圖7所示。一個開關週期內，LLC諧振型直流變壓器共有六個階段。根據橋臂的對偶性，這六個階段可以分為三種模態，分別是：結電容充放電模態、開關管體二極管續流模態和開關管導通模態。這些模態和輸出穩壓的LLC諧振變換器類似 ^[5]  。

雙向全橋CLLLC諧振變換器如圖8所示。該諧振變換器可實現雙向傳輸功率且無論正向還是反向工作時，都具備LLC變換器的軟開關特性，不需要額外的緩衝電路。

直流自藕變壓器拓撲如圖9所示，該直流自藕變壓器用於連接兩個電壓等級不同的直流系統GRID1和GRID2。兩個直流系統的額定正極、負極電壓分別為E1和E2。為分析方便，記E1

3個VSC換流器的交流側經過一定的變壓器、相電抗電路連接至交流公共母線B,。由於VSC1和VSC3採用非對稱結構(直流中性點不接地)。為了消除VSC1和VSC3的中性點偏移，VSC1和VSC3的變壓器採用Y/4接線方式。與常規LCC類似，變壓器靠近變頻器側採用△接線方式。

對直流變壓器的提出背景、定義、電路的基本結構等基本概念進行了詳細的闡述。直流變壓器利用變壓器漏感能量實現能量的傳輸，不需輸出濾波電感。電路結構簡單，易於實現軟開關，採用開環控制，恆佔空比工作，起變壓和隔離的作用，變換效率高。歸納分析了直流變壓器在兩級結構的電壓調節模塊、級聯式雙向DC-DC變換器以、航空靜止變流器、LLC諧振型軟開關直流變壓器、雙向CLLLC諧振型直流變壓器、直流自藕變壓器進行了説明，每種變壓器的應用場景不同。