直流變壓器背景

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，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實現(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，沒有直接用于用電設(shè)備。為了適應(yīng)將來將高壓直流輸電直接應(yīng)用于用電設(shè)備，尤其對大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電等獨立電力系統(tǒng)，原方案就顯得笨重而不經(jīng)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(zhuǎn)換成隔離的滿足用電設(shè)備要求的低壓直流電。

近年來，隨著大功率電力電子元器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，通過電力電子變換技術(shù)實現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的新型變壓器--電力電子變壓器(PET)得到了越來越多的關(guān)注 。以美國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)簡單；采用開環(huán)控制，易于實現(xiàn)軟開關(guān)，可進一步提高開關(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)展趨勢是 ：

（1）輸入母線電壓不斷提高，未來的計算機電壓調(diào)節(jié)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(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，滿足計算機芯片對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(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。

直流變壓器直流變壓器的功用

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人調(diào)節(jié)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(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 。

直流變壓器理想直流變壓器的基本要求

（1）實現(xiàn)輸入輸出電壓的電氣隔離和輸人輸出的比例關(guān)系，并可以實現(xiàn)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(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，易于實現(xiàn)軟開關(guān)，可以進一步提高開關(guān)頻率；

（6）可靠性高，對電源和用電設(shè)備電磁干擾小。

直流變壓器直流變壓器的類型

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 。

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)位正激和不對稱半橋等電路拓?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(jié)構(gòu)可描述如下 ：

（1）Lr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。

（2）直流變壓器中不含有大的儲能元件。系統(tǒng)儲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）實現(xiàn)零電壓開關(guān)。實現(xiàn)零電壓開關(guān)有助于提高變換效率，漏感Lr越大越容易實現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通。開關(guān)管并聯(lián)電容有利于開關(guān)管的零電壓關(guān)斷，但同時造成了零電壓開通困難。

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

國外提出的兩級結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)節(jié)模塊可以分為兩類，如右圖4、圖5所示。右圖4中，前級直流變壓器采用開環(huán)控制，恒占空比工作。起著隔離和變壓的作用，后級用來實現(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現(xiàn)能量的傳輸，輸出不需濾波電感，變換效率高；采用開環(huán)控制，控制電路簡單；易于實現(xiàn)軟開關(guān)，可進一步提高開關(guān)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(tǒng)的動態(tài)性能，適用于未來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聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實現(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電源系統(tǒng)的二次電源，隨著飛機作戰(zhàn)性能的提高和機載用電設(shè)備的不斷增加，對飛機電源系統(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結(jié)構(gòu)，在輸人電壓變化范圍較小的場合采用高頻隔離的直流變壓器和三相逆變器級聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)簡單。利于模塊化設(shè)計。實現(xiàn)了高功率密度、高變換效率、高可靠性和高電能質(zhì)量。前級采用直流變壓器，起隔離和變壓的作用，為后級逆變器提供輸人電壓。后級采用單相或三相逆變器，進行電壓閉環(huán)控制，逆變器具有穩(wěn)壓功能，輸出電壓失真度小，動態(tài)響應(yīng)速度快，大大提高了航空靜止變流器的性能。

直流變壓器LLC諧振型軟開關(guān)直流變壓器

LLC諧振變換器是一種實用的軟開關(guān)直流變換器。LLC諧振型直流變壓器的拓?fù)淙鐖D7所示。一個開關(guān)周期內(nèi)，LLC諧振型直流變壓器共有六個階段。根據(jù)橋臂的對偶性，這六個階段可以分為三種模態(tài)，分別是：結(jié)電容充放電模態(tài)、開關(guān)管體二極管續(xù)流模態(tài)和開關(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。該諧振變換器可實現(xiàn)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(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電壓等級不同的直流系統(tǒng)GRID1和GRID2。兩個直流系統(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VSC換流器的交流側(cè)經(jīng)過一定的變壓器、相電抗電路連接至交流公共母線B,。由于VSC1和VSC3采用非對稱結(jié)構(gòu)(直流中性點不接地)。為了消除VSC1和VSC3的中性點偏移，VSC1和VSC3的變壓器采用Y/4接線方式。與常規(guī)LCC類似，變壓器靠近變頻器側(cè)采用△接線方式。

直流變壓器結(jié)語

對直流變壓器的提出背景、定義、電路的基本結(jié)構(gòu)等基本概念進行了詳細(xì)的闡述。直流變壓器利用變壓器漏感能量實現(xiàn)能量的傳輸，不需輸出濾波電感。電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)軟開關(guān)，采用開環(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結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)節(jié)模塊、級聯(lián)式雙向DC-DC變換器以、航空靜止變流器、LLC諧振型軟開關(guān)直流變壓器、雙向CLLLC諧振型直流變壓器、直流自藕變壓器進行了說明，每種變壓器的應(yīng)用場景不同。

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、磁性線圈和直流變壓器的絕緣材料；

(4)核廢料陶瓷固化物等 。