一种基于半桥LLC的兆赫兹RDCX变换器研究

发布时间：2020-07-29 14:32

【摘要】：随着现代化信息技术的高速发展,数据中心的规模和能耗迅速增加。采用高压直流供电架构并直接将服务器供电模块集成到主板上,可以显著提高服务器系统的供电效率和功率密度。为了实现供电模块的板上集成,DC-DC模块需要满足高效率高功率密度的要求,同时具有输出电压调节功能。LLC谐振变换器因其原副边开关管的软开关特性,很容易实现MHz的开关频率,满足高功率密度和高效率的要求。但是高频LLC存在输出电压调节难题,并且随着负载增加,软开关特性可能会丢失。在传统的零电压(ZVS)条件设计过程中,通常将开关桥臂死区时间内的电路,等效为励磁电流给原边开关管结电容充放电。但是通过对LLC工作模态的详细分析发现,在高频情况下,副边整流管提前导通导致励磁电流被输出电压源旁路,并且随着负载增加,励磁电流越早被旁路,从而严重影响原边开关管的ZVS。因此,本文通过对LLC工作于谐振点的电路模态的分析,建立了高频LLC的ZVS功率和谐振参数边界模型,并通过实验验证了模型的准确性。基于该ZVS边界模型,高频LLC采用调频方式调节输出电压时,频率的变化范围太宽,导致了磁元件尺寸和效率优化的困难。当LLC工作在直流变压器(DCX)时具有高效率高功率密度的优势,为了实现输出电压调节,通常采用DCX级联可调DC-DC的两级方案。但是两级方案使得系统的效率和功率密度大打折扣,所以本文充分利用LLC工作在DCX的优势,通过在DCX中串联可控电压源来实现输出电压调节。该可调直流变压器(RDCX)方案中,绝大部分输入功率直接通过DCX处理,仅有小部分输入功率通过两级处理实现输出电压调节,保证了电路的高效率和高功率密度优势。文中详细设计了输入电压360V-400V,输出电压12V,满载功率750W的RDCX样机参数,通过实验验证了该RDCX方案。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

图１－１中国数据中心年市场规模和年耗电量统计逡逑数据中心的供电架构与服务器系统的能耗、效率和可靠性密切相关。传统的数据中心逡逑采用如图１－２所示的交流供电架构，交流电网经过交流ＵＰＳ通过整流（ＡＣ－ＤＣ）和逆变逡逑（ＤＣ－ＡＣ）两级变换得到交流母线电压，再经过ＡＣ－ＤＣ和ＤＣ－ＤＣ两级变换得到低压母逡逑线，给服务器主板供电。这种供电架构需要对电能进行多次交直流转换，因此其系统可靠逡逑性和效率均较低，电能转换效率一般在８５％左右［８］。逡逑为了提高数据中心供电架构的稳定性和传输效率，出现了高压直流供电系统（ＨＶＤＣ）逡逑概念ＷｌＨＶＤＣ供电架构的系统框架如图１－３所示。电网侧的交流母线电压经过直流ＵＰＳ，逡逑直接将交流母线电压通过ＡＣ－ＤＣ转换成高压直流母线（４００Ｖ左右）。高压直流母线电压逡逑经过功率分配模块（ＰＳＵ）直接配电至直流服务器机架电源所需的低压母线。逡逑

图１－３高压直流母线供电架构逡逑ＨＶＤＣ供电架构相对于传统交流母线供电架构，减少了邋ＵＰＳ部分的ＤＣ－ＡＣ变换环服务器机架电源的ＡＣ－ＤＣ变换环节。所以ＨＶＤＣ的系统可靠性和系统传输效率显著提逡逑，系统供电效率高达９０％以上［８］。因此本文的研究内容主要是针对采用高压直流母线供逡逑的数据中心系统，进行母线变流器模块电源的设计。逡逑在ＨＶＤＣ供电架构中由于母线电压是４００Ｖ左右的高压，相比于传统的交流母线电逡逑，直流服务器供电电源模块不需要对工频能量进行缓冲和存储，所以可以省去体积庞缓冲电容和电感，进而减小电源模块的尺寸。未来母线变流器的发展趋势是将４００Ｖ高逡逑母线直接接入直流服务器主板的供电端口，省却机柜内部的１２Ｖ汇流母排，极大限度减逡逑汇流母排上的线路损耗，提高服务器系统的供电效率。但是考虑到服务器主板的面积和逡逑度的制约，在有限的空间内将电源模块嵌入到服务器主板，对电源模块功率密度和效出了巨大挑战。如图１－４是将高压直流母线变流器集成到服务器主板的结构框图，具体逡逑现方式参照如图丨－５所示效果，其中椭圆形框内即供电电源模块。逡逑

１）Ｃ＞邋ＤＣ／Ｔ＾ｇ；邋Ｓ逡逑ｆｉｔ电池逡逑图１－２传统交流母线供电架构逡逑．直流服务器机架逡逑电网逦ＰＤＵ逦、逦逦！２１＞Ｊ逡逑？＜５＞0Ｓ５＞—＾逦＞ｐｃ＾邋ＤＣ）ｔｅｚ＊邋５逡逑｜邋Ｓｓ邋４００Ｖ＃邋ａ邋＂逦．＊、丨—逡逑ｌｉｔ电池逡逑图１－３高压直流母线供电架构逡逑ＨＶＤＣ供电架构相对于传统交流母线供电架构，减少了邋ＵＰＳ部分的ＤＣ－ＡＣ变换环节逡逑和服务器机架电源的ＡＣ－ＤＣ变换环节。所以ＨＶＤＣ的系统可靠性和系统传输效率显著提逡逑高，系统供电效率高达９０％以上［８］。因此本文的研究内容主要是针对采用高压直流母线供逡逑电的数据中心系统，进行母线变流器模块电源的设计。逡逑在ＨＶＤＣ供电架构中由于母线电压是４００Ｖ左右的高压，相比于传统的交流母线电逡逑压，直流服务器供电电源模块不需要对工频能量进行缓冲和存储，所以可以省去体积庞大逡逑的缓冲电容和电感，进而减小电源模块的尺寸。未来母线变流器的发展趋势是将４００Ｖ高逡逑压母线直接接入直流服务器主板的供电端口，省却机柜内部的１２Ｖ汇流母排，极大限度减逡逑小汇流母排上的线路损耗

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本文编号：2774091