小功率DC-DC变流器高频化研究
发布时间：2020-08-18 07:29
【摘要】：迅猛发展的计算机工业技术使得计算机电源输出电压越来越低(0.9～1.5V),输出电流也越来越高。高效、高功率密度是此类电源的几个关键指标。为了实现这些指标,高频兆赫兹级的功率变换技术开始研究运用。论文首先回顾了高频功率变换技术的发展现状,同时也提出了一些关键技术问题。在高频功率变换中,拓扑的选择和优化十分关键。针对宽范围电压输入,低压大电流输出的应用场合,选取了两级结构的DC-DC变流器作为优选拓扑。在前级拓扑选择中,最终采用了一种带有源钳位单元的ZVS-PWMBuck电路拓扑。后极选取了工作在占空比为50%的半桥电路拓扑。为了减小高频门极驱动损耗,详细研究了 E型谐振门极驱动电路在高频工作时的性能;提出了一种全桥结构型能驱动双管的谐振门极电路;并在对比评估了几种谐振门极驱动方案后,优选出适用于高频工作的驱动方案,在此基础上提出了一种新型的高效谐振门极驱动电路。在后级半桥变流器中,采用单绕组结构的辅助绕组自驱动电路作为副边同步整流管的驱动方案。在深入研究高频磁性元件工作机理的基础上,提取出变压器绕组损耗与磁芯损耗的计算模型;列出了高频平面变压器的设计流程与仿真分析步骤。通过逐层建模的方式,提取出了平面变压器的高频参数,建立起变压器的电路-磁路混合模型,可以用来指导平面变压器的优化设计。对半桥变流器的集成磁路结构做了研究分析,探索了集成磁路的特性与在实际应用中的缺陷;结合半桥电路给出了平面变压器的绕组设计、损耗计算以及电磁场仿真的方法与步骤。结合宽范围电压输入、低压大电流输出的具体应用场合,通过对两级结构DC-DC变流器的研究,在高频模块的设计中综合运用了所研究的多种高频化技术,将高频损耗分析、门极谐振驱动技术、副边自驱动同步整流技术都融入其中。从模块的整体线路布局出发,优化平面变压器的绕组分布,研制出多层印制电路板平面变压器结构的拓扑样机。对两级结构变流器电路的不同控制方案做了研究对比;实验验证了高频化研究中的一些技术方案。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：
迅猛发展的计算机工业技术使得计算机电源输出电压越来越低（0．９￣１．５Ｖ），逡逑输出电流也越来越高（达到１００Ａ），输出电流变化率也越来越高，同时电源还逡逑需要很好的电压调节性能以及快速的动态响应性能。这对电源模块的要求越来逡逑越高，电源模块的功率密度等级要求也变得越来越高。逡逑高效、高功率密度、快速的动态响应性能是此类电源的几个关键指标。为逡逑了实现以上几个指标，高频兆赫兹级的功率变换技术［１２？］开始研[傇擞谩＝细咤义系腲u关频率可以使工作电路达到更高的带宽，能够减小输出电容的数目：同时逡逑在很高的开关频率下，磁芯的体积将变得很小，散热面积也比较小，这就要求逡逑电源的功耗比较小，不会引起过高的温升。逡逑随着通信系统性能的不断增强，对功率的要求也不断增加，在供电电源发逡逑展上也出现了一些新的变化趋势。特别在一些服务器和工作站电源中，为了减逡逑小母线上的损耗，分布母线电压变得越来越高，从１２Ｖ等级逐渐增加到４８Ｖ。逡逑在高压母线分布式电源系统中，负载的瞬态变化对母线电压波动的影响也比较逡逑小；由于母线上的电流纹波相应较小，母线上的导通损耗也比较小，电压调节逡逑入滤器体积可以设计得比较小。逡逑
调节模块必将兼容３６？７２Ｖ输入电压范围。逡逑由于高电压输入，低电压输出等特点，采用以往传统Ｂｕｃｋ型变流器实现如逡逑此大变比的电压转换不太现实，图１－２显示了邋Ｂｕｃｋ变流器输出电流纹波与占空逡逑比以及相数之间的关系［３９］。当占空比非常小的情况下，增加交错的相数对纹波电逡逑流的抑制效果非常有限，同时极小的占空比会影响电路工作的稳态以及动态性逡逑能。为了改善变换器的工作性能，有效地拓展占空比可以减小输入输出电流纹逡逑波，提高系统的效率。文献［３１＿３２］提出了采用耦合电感来拓展占空比和改善电路动逡逑４逡逑
兼容、ＥＭＣ设计困难、高频母线接口兼容性等问题，同时还需要额外的逡逑ＤＣ／ＨＦＡＣ或ＡＣ／ＨＦＡＣ变流器来进行功率转换。逡逑图１－３显示的是一种多谐振推挽变流器电路拓扑［１２］，这种变流器的副边采用逡逑了倍流整流结构。在此电路中，所有的开关管都在固定的频率和占空比下工作，逡逑工作状态有点类似于高频变压器。这种多谐振推挽拓扑具有一些优点：比如可逡逑以减小导通损耗以及开关损耗、能有效地减小同步整流管体二极管的导通损耗逡逑和反向恢复损耗。但是此电路的一大缺点就是不能够对输出电压进行调节，在逡逑实际应用中，需要一个前级变流器来对最终的输出电压进行调节。逡逑Ｃｒ３＝＝ｎ邋ｔｊ［＿Ｋ３逦Ｋ４邋Ｍ邋；；＝＝Ｃｒ４逦＞邋＾逡逑＾邋Ｌｒ邋１逦Ｌｒ２逦、十邋＜逦＋邋Ｖｏ－逡逑Ｃ邋ＩＳ邋Ｊ－＾逡逑Ｃｒ１邋如邋ｆｌｌ邋Ｋ１逦０邋Ｋ２邋Ｋ邋；：４＝ｃｒ２逦ｌ邋１２逦＾Ｉ逡逑＾邋Ｉ邋＾逡逑图１－３多谐振推挽变流器电路拓扑逡逑在输入电压变化范围比较大的情况下，采用两级电路来实现功率变换是一逡逑个比较好的策略。如图１－４中的电路结构，前级降压电路采用Ｂｕｃｋ电路输出一逡逑个比较稳定的母线电压供给后级电路；后级采用多谐振推挽变流器［１２］，可以在高逡逑频工作状态下仍然保持较高的效率。不过由于此电路的结构比较复杂，为了实现逡逑６逡逑
本文编号：2795927
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：
迅猛发展的计算机工业技术使得计算机电源输出电压越来越低（0．９￣１．５Ｖ），逡逑输出电流也越来越高（达到１００Ａ），输出电流变化率也越来越高，同时电源还逡逑需要很好的电压调节性能以及快速的动态响应性能。这对电源模块的要求越来逡逑越高，电源模块的功率密度等级要求也变得越来越高。逡逑高效、高功率密度、快速的动态响应性能是此类电源的几个关键指标。为逡逑了实现以上几个指标，高频兆赫兹级的功率变换技术［１２？］开始研[傇擞谩＝细咤义系腲u关频率可以使工作电路达到更高的带宽，能够减小输出电容的数目：同时逡逑在很高的开关频率下，磁芯的体积将变得很小，散热面积也比较小，这就要求逡逑电源的功耗比较小，不会引起过高的温升。逡逑随着通信系统性能的不断增强，对功率的要求也不断增加，在供电电源发逡逑展上也出现了一些新的变化趋势。特别在一些服务器和工作站电源中，为了减逡逑小母线上的损耗，分布母线电压变得越来越高，从１２Ｖ等级逐渐增加到４８Ｖ。逡逑在高压母线分布式电源系统中，负载的瞬态变化对母线电压波动的影响也比较逡逑小；由于母线上的电流纹波相应较小，母线上的导通损耗也比较小，电压调节逡逑入滤器体积可以设计得比较小。逡逑
调节模块必将兼容３６？７２Ｖ输入电压范围。逡逑由于高电压输入，低电压输出等特点，采用以往传统Ｂｕｃｋ型变流器实现如逡逑此大变比的电压转换不太现实，图１－２显示了邋Ｂｕｃｋ变流器输出电流纹波与占空逡逑比以及相数之间的关系［３９］。当占空比非常小的情况下，增加交错的相数对纹波电逡逑流的抑制效果非常有限，同时极小的占空比会影响电路工作的稳态以及动态性逡逑能。为了改善变换器的工作性能，有效地拓展占空比可以减小输入输出电流纹逡逑波，提高系统的效率。文献［３１＿３２］提出了采用耦合电感来拓展占空比和改善电路动逡逑４逡逑
兼容、ＥＭＣ设计困难、高频母线接口兼容性等问题，同时还需要额外的逡逑ＤＣ／ＨＦＡＣ或ＡＣ／ＨＦＡＣ变流器来进行功率转换。逡逑图１－３显示的是一种多谐振推挽变流器电路拓扑［１２］，这种变流器的副边采用逡逑了倍流整流结构。在此电路中，所有的开关管都在固定的频率和占空比下工作，逡逑工作状态有点类似于高频变压器。这种多谐振推挽拓扑具有一些优点：比如可逡逑以减小导通损耗以及开关损耗、能有效地减小同步整流管体二极管的导通损耗逡逑和反向恢复损耗。但是此电路的一大缺点就是不能够对输出电压进行调节，在逡逑实际应用中，需要一个前级变流器来对最终的输出电压进行调节。逡逑Ｃｒ３＝＝ｎ邋ｔｊ［＿Ｋ３逦Ｋ４邋Ｍ邋；；＝＝Ｃｒ４逦＞邋＾逡逑＾邋Ｌｒ邋１逦Ｌｒ２逦、十邋＜逦＋邋Ｖｏ－逡逑Ｃ邋ＩＳ邋Ｊ－＾逡逑Ｃｒ１邋如邋ｆｌｌ邋Ｋ１逦０邋Ｋ２邋Ｋ邋；：４＝ｃｒ２逦ｌ邋１２逦＾Ｉ逡逑＾邋Ｉ邋＾逡逑图１－３多谐振推挽变流器电路拓扑逡逑在输入电压变化范围比较大的情况下，采用两级电路来实现功率变换是一逡逑个比较好的策略。如图１－４中的电路结构，前级降压电路采用Ｂｕｃｋ电路输出一逡逑个比较稳定的母线电压供给后级电路；后级采用多谐振推挽变流器［１２］，可以在高逡逑频工作状态下仍然保持较高的效率。不过由于此电路的结构比较复杂，为了实现逡逑６逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 钱照明;张军明;吕征宇;;电力电子系统集成[J];中国集成电路;2003年07期
相关博士学位论文 前2条
1 张艳军;高功率密度直流变流器及其无源元件集成研究[D];浙江大学;2008年
2 谢小高;小功率DC/DC变流器模块标准化若干关键问题研究[D];浙江大学;2005年
本文编号：2795927
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