直流变压器的优化设计与应用探析

直流变压器是把直流电流转换为另外一种不同大小和极性的直流电。

提要：直流变压器

变压器： 控制方式：

•经过交流电 •中间电路变频器

•闭塞变流器 •脉冲宽度控制

•通流换流器 •脉冲序列控制

直流变压器同交流变压器一样，分为有中间电路的变压器和无间电路的变压器（见提要）。

图9-182所示的有中间电路的直流变压器是把直流电压U₁用一个逆变器变换成中间电路交流电压，整流器再把此交流电压转换为直流输出电压U₂。为了能调整输出电压，则采用了一个可控式整流器。因为要求电流隔离，则把一个变压器接在中间电路中。

无中间电路的直流变频器不仅使用广泛，而且费用低。直流变压器也称为直流调节器。所有的直流调节器都是以所接的整流元件工作，如双极晶体管、MOS场效应晶体管、晶闸管或IGBT，所以其损耗特别少。

图9-182 具中间电路的直流变压器（电路原理图）

图9-183所示是具有混合负载的晶体管直流调节器（晶体管开关）的电路原理图。晶体管Q₁导通，则负载电流流过用电器；晶体管Q截止，则通过电流断开。自振荡二极管R₁截止在接通时形成的并同时截止相同通过电流的感应电压峰值。电流脉冲频率越高，则通过电流越均匀。实践中，由于要求高接通频率，所以多半采用MOS场效应晶体管。

直流调节器通过可控式接通与断开来改变输出电压的算术平均值。

图9-183 晶体管直流调节器

若操作电压高或电流大，则多采用晶闸管用于整流器，如图9-184所示。与在交流电路中的使用不同，因为电流未自动降到保持电流以下，所晶闸管不自动截止。必须附加一个截止电路和整流电路。晶闸管Q₁通过其控制极上的触发脉冲而导通，并有负载电流I_L流过，同时，电容器C₁充电。截止晶闸管Q₂被触发，电容器C₁通过两个导通的晶闸管Q₁和Q₂放电。放电电流I_C与负载电流I_L方向相反，当低于保持电流I_H时，主晶闸管Q₁截止，电流回路断开，晶闸管Q₂同样被截止。下一个截止过程首先是在电容器上重新充电之后。因此，有晶闸管的直流调节器仅适用于相对小的接通频率，有GTO的直流调节器可适用于较高的频率。

9.10.6.1 通流变流器与闭塞变流器

如图9-183所示，如果开关元件导通，则直流调节器有电流流过负载，这就是所说的通流变流器。第二种电路类型是图9-185所示的闭塞变流器，当晶体管Q₁截止时线圈使电流流过负载；当Q₁导通时，电能充电到线圈L₁中。Q₁截止，存储在L₁中的电能感应出电压U₂，电流流过负载R₁和二极管R₂，在L₁上当接通电流时形成可高于所要求的供电电压的电压峰值。对输出进行适当的滤波，闭塞变流器不仅能把电压转换为低电压（降压变流器，图9-185a），而且还可提供高于供电电压的输出电压（升压变流器）。图9-185b所示的闭塞变流器可以把供电电压转换为负电压，也就是所说的反向变流器。

9.10.6.2 直流调节器的控制方式

直流调节器的控制主要采用脉冲宽度调制（PWM）和脉冲序列调制。

(www.xing528.com)

图9-184 晶闸管直流整流器

图9-186所示为脉冲宽度调制。在一定的接通周期T内，接通与断开时间的比是变化的。接通时间t_i长，则输出电压的算术平均值就高，因此输出电压就高。

图9-185 闭塞变流器

图9-186 脉冲宽度调制

如图9-187所示，一个脉冲宽度调制的信号与一个固定频率的三角形电压比较可以产生一个可调整的控制电压。控制电压高于三角形电压，则比较器的输出为高信号；提高三角形电压并使之超过控制电压值，则比较器的输出为低信号。因此，在一个固定的由三角形电压所决定的频率之内，接通时间与控制直流电压有关。

图9-188所示为脉冲序列调制。当整流器在固定不变的接通时间内，其周期和脉冲频率发生变化时，其输入与输出时间比也同样发生变化。

图9-187 PWM控制

图9-188 脉冲序列调制

称为DC-DC变流器的直流变压器是按同样原理工作的，与直流调节器的区别是其输出电压是不改变的，而是固定给定的。如果在一个工作电压为±15V的设备中，有几个以+5V供电电压工作的TTL开关电路，则可使用这种电路。

ⓘ直流调节器的重要信息

结构：

通流变流器：U₂＜U₁

闭塞变流器：U₂＜U₁或U₂＞U₁或U₂=U₁

控制：

脉冲宽度调制（PWM）：T常量；t_i/t_p变量

脉冲序列调制（PFM）：T变量；t_i/t_p常量