直流變壓器

圖1示出了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、有源籍位正激、諧振復(fù)位正激和不對(duì)稱(chēng)半橋等電路拓?fù)?；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3所示為雙向半橋直流變壓器電路結(jié)構(gòu)。包括反激、雙管反激和正一反激以及雙管正一反激電路。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(mǎn)足理想直流變壓器基本要求的電路結(jié)構(gòu)可描述如下 ：

（1）Lr盡量小。Lr越小，線(xiàn)路壓降越小，越能保證直流變壓器輸入、輸出的正比關(guān)系。

（2）直流變壓器中不含有大的儲(chǔ)能元件。系統(tǒng)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。

直流變壓器直流變壓器在電壓調(diào)節(jié)模塊中的應(yīng)用

國(guó)外提出的兩級(jí)結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)節(jié)模塊可以分為兩類(lèi)，如右圖4、圖5所示。右圖4中，前級(jí)直流變壓器采用開(kāi)環(huán)控制，恒占空比工作。起著隔離和變壓的作用，后級(jí)用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，圖5則與之相反。由于圖4所示結(jié)構(gòu)的反饋電路不需要隔離，所以電壓調(diào)節(jié)模塊瞬態(tài)響應(yīng)更快，因此兩級(jí)式電壓調(diào)節(jié)模塊更多的是采用此種結(jié)構(gòu)。直流變壓器在接近100%的等效占空比下工作。起著隔離和變壓的作用。利用變壓器的漏感實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，輸出不需濾波電感，變換效率高；采用開(kāi)環(huán)控制，控制電路簡(jiǎn)單；易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率，提高功率密度，同時(shí)大大減小了濾波器的體積。提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，適用于未來(lái)的高效率高功率密度的電壓調(diào)節(jié)模塊。

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(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。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

直流變壓器直流變壓器在航空靜止變流器中的應(yīng)用

航空靜止變流器是飛機(jī)電源系統(tǒng)的二次電源，隨著飛機(jī)作戰(zhàn)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。中大功率三相航空靜止變流器一般采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，在輸人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、高變換效率、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)逆變器提供輸人電壓。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，大大提高了航空靜止變流器的性能。

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(yuǎn)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而有廣闊的應(yīng)用前景。在高壓直流輸電系統(tǒng)中整流側(cè)和逆變側(cè)，仍然要工頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)和交流電網(wǎng)相連，體積大，質(zhì)量大。直流輸電仍然作為交流輸電一種輔助功能，沒(méi)有直接用于用電設(shè)備。為了適應(yīng)將來(lái)將高壓直流輸電直接應(yīng)用于用電設(shè)備，尤其對(duì)大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電等獨(dú)立電力系統(tǒng)，原方案就顯得笨重而不經(jīng)濟(jì)。需要具有和交流隔離變壓器功能類(lèi)似的直流變壓裝置，將高壓直流電轉(zhuǎn)換成隔離的滿(mǎn)足用電設(shè)備要求的低壓直流電。

近年來(lái)，隨著大功率電力電子元器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(lái)越多的關(guān)注 。以美國(guó)弗吉尼亞電力電子中心Fred C. Lee 為首的學(xué)者系統(tǒng)地提出了直流變壓器的概念。直流變壓器在接近100%的等效占空比下工作，輸出省去了濾波電感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用開(kāi)環(huán)控制，易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率，提高功率密度。

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)模塊的發(fā)展趨勢(shì)是 ：

（1）輸入母線(xiàn)電壓不斷提高，未來(lái)的計(jì)算機(jī)電壓調(diào)節(jié)模塊將把輸入母線(xiàn)電壓提高到48V，減小母線(xiàn)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(lái)越低，輸出電流越來(lái)越大，滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)芯片對(duì)電源容量要求的不斷增加，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，要求電壓調(diào)節(jié)模塊有更好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

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，在高頻化的同時(shí)保證高效率，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。

直流變壓器直流變壓器的功用

直流變換器有兩種基本類(lèi)型，即輸出穩(wěn)壓的DC-DC變換器和輸出電壓隨輸人調(diào)節(jié)的“直流變壓器”。直流變壓器和交流變壓器類(lèi)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 。

直流變壓器理想直流變壓器的基本要求

（1）實(shí)現(xiàn)輸入輸出電壓的電氣隔離和輸人輸出的比例關(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；

（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(dòng)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(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；

（6）可靠性高，對(duì)電源和用電設(shè)備電磁干擾小。

直流變壓器直流變壓器的類(lèi)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 。

直流變壓器LLC諧振型軟開(kāi)關(guān)直流變壓器

LLC諧振變換器是一種實(shí)用的軟開(kāi)關(guān)直流變換器。LLC諧振型直流變壓器的拓?fù)淙鐖D7所示。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，LLC諧振型直流變壓器共有六個(gè)階段。根據(jù)橋臂的對(duì)偶性，這六個(gè)階段可以分為三種模態(tài)，分別是：結(jié)電容充放電模態(tài)、開(kāi)關(guān)管體二極管續(xù)流模態(tài)和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通模態(tài)。這些模態(tài)和輸出穩(wěn)壓的LLC諧振變換器類(lèi)似 。

直流變壓器雙向CLLLC諧振型直流變壓器

雙向全橋CLLLC諧振變換器如圖8所示。該諧振變換器可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸功率且無(wú)論正向還是反向工作時(shí)，都具備LLC變換器的軟開(kāi)關(guān)特性，不需要額外的緩沖電路。

直流變壓器直流自藕變壓器

直流自藕變壓器拓?fù)淙鐖D9所示，該直流自藕變壓器用于連接兩個(gè)電壓等級(jí)不同的直流系統(tǒng)GRID1和GRID2。兩個(gè)直流系統(tǒng)的額定正極、負(fù)極電壓分別為E1和E2。為分析方便，記E1

3個(gè)VSC換流器的交流側(cè)經(jīng)過(guò)一定的變壓器、相電抗電路連接至交流公共母線(xiàn)B,。由于VSC1和VSC3采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(直流中性點(diǎn)不接地)。為了消除VSC1和VSC3的中性點(diǎn)偏移，VSC1和VSC3的變壓器采用Y/4接線(xiàn)方式。與常規(guī)LCC類(lèi)似，變壓器靠近變頻器側(cè)采用△接線(xiàn)方式。

直流變壓器結(jié)語(yǔ)

對(duì)直流變壓器的提出背景、定義、電路的基本結(jié)構(gòu)等基本概念進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。直流變壓器利用變壓器漏感能量實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，采用開(kāi)環(huán)控制，恒占空比工作，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(jí)結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)節(jié)模塊、級(jí)聯(lián)式雙向DC-DC變換器以、航空靜止變流器、LLC諧振型軟開(kāi)關(guān)直流變壓器、雙向CLLLC諧振型直流變壓器、直流自藕變壓器進(jìn)行了說(shuō)明，每種變壓器的應(yīng)用場(chǎng)景不同。

在核能技術(shù)中，耐輻射陶瓷的應(yīng)用還包括：

(1)陶瓷內(nèi)壁、陶瓷限制器和陶瓷轉(zhuǎn)向器；

(2)陶瓷窗、陶瓷電介質(zhì)和陶瓷絕緣器；

(3)陶瓷環(huán)流斷路器、磁性線(xiàn)圈和直流變壓器的絕緣材料；

(4)核廢料陶瓷固化物等 。