一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，电源的负极接地，电源的正极经第一开关管与第一电容的一端及第二开关管的一端相连接，第二开关管的另一端与第三开关管的一端及第二电容的一端相连接，第三开关管的另一端与第三电容的一端及第四开关管的一端相连接，第四开关管的另一端与第五开关管的一端、第一电感的一端及第二电容的另一端相连接，第五开关管的另一端接地，第一电感的另一端与负载的一端及第二电感的一端相连接，第一电容的另一端与第三电容的另一端、第二电感的另一端及第六开关管的一端相连接，第六开关管的另一端接地，负载的另一端接地，该电路的体积小，且电容及开关管的数量较少。

A Non-Isolated DC Chopper Circuit for Voltage Module in Data Center

【技术实现步骤摘要】
一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路
本专利技术涉及一种非隔离直流斩波电路，具体涉及一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路。
技术介绍
电力电子技术是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，是实现电力传输和各类电子设备正常运行的重要技术手段。高功率和高效率的电能变换是电力电子技术发展的终极目标。本专利技术基于开关电容和开关电感的基本理论，设计出了全新的非隔离型大降压比的DC-DC转换器。目前，非隔离大变比DC-DC转换器广泛应用于直流分布式系统、便携式电子设备、通信系统和电压调节模块等。随着人工智能、大数据和云计算的快速发展，数据中心的能源消耗逐年增加，拥有高性能多核CPU的数据中心朝着更低电压(<1V)和更高的电流(>200A)的要求前进，其对电压调节模块提出了更高的要求。数据中心现存的12V直流母线电压有着数据中心较高的线路损耗，更高的48V直流母线电压正在发展并已经应用在工业领域中，学术界和工业界表示未来将发展400V母线电压，这对大变比拓扑，体积小及重量轻的供电电源提出极高的需求。传统的buck电路已经不适合应用在这些极大的降压比领域，由于极度小的占空比使得开关损耗急剧增大。发展大变比的电力电子拓扑是不可避免的趋势。目前存在的大降压比的DC-DC拓扑主要分为两类：隔离型大降压比DC-DC转换器，这类转换器基于隔离变压器变比实现大变比，这类拓扑有LLC，反激电路等；非隔离大降压比DC-DC转换器，这类转换器基于耦合电感，开关电容及两级拓扑等。隔离型的拓扑原理简单，已经普遍应用在目前的工业领域，但由于存在的变压器，功率密度有限，体积无法做的很小，这限制了隔离性DC-DC拓扑的发展。非隔离拓扑在未来是一个非常好的候选，已经获得了很大的关注，基于耦合电感原理的非隔离拓扑也是靠匝比降压，其实质跟隔离型变压器一样的；两级拓扑目前已被工业界和学术界普遍认可，但两级拓扑有着大量的有源器件，通常第二级拓扑的损耗非常大；基于开关电容的DC-DC拓扑利用电容作为储能元件来实现变比，由于无磁件，其拓扑体积小，重量轻及高效率等优势。但缺点也很明显，拓扑结构决定了其电压变比，随着电压变比越大，其开关电容数量和有源开关管数量也越多，因此单纯的开关电容拓扑并不适合大变比降压应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，该电路的体积小，且电容及开关管的数量较少。为达到上述目的，本专利技术所述的适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路包括电源、迪克逊充电泵及两相交错buck电路；其中，迪克逊充电泵包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容及第三电容；两相交错buck电路包括第五开关管、第六开关管、第一电感及第二电感；电源的负极接地，电源的正极经第一开关管与第一电容的一端及第二开关管的一端相连接，第二开关管的另一端与第三开关管的一端及第二电容的一端相连接，第三开关管的另一端与第三电容的一端及第四开关管的一端相连接，第四开关管的另一端与第五开关管的一端、第一电感的一端及第二电容的另一端相连接，第五开关管的另一端接地，第一电感的另一端与负载的一端及第二电感的一端相连接，第一电容的另一端与第三电容的另一端、第二电感的另一端及第六开关管的一端相连接，第六开关管的另一端接地，负载的另一端接地。第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管均为MOS管。负载由并联连接的第四电容及电阻组成。当第一开关管及第三开关管导通，第二开关管、第四开关管及第六开关管关断时，电源与第一电容及第二电感形成回路，第一电容及第二电感被充能，第二电容放电，第三电容及第二电感被充能，第一电感向负载放电，其中，第五开关管的开关状态不固定，第五开关管受反馈电压的控制，以维持输出电压的稳定。当第一开关管、第三开关管及第六开关管导通，第四开关管及第二开关管关断时，第一电感和第二电感同时向负载放电，第一电感和第二电感上的电流和线性下降。当第二开关管及第四开关管导通，第一开关管、第三开关管及第五开关管关断时，第一电容释放能量，第二电容及第一电感被充电；第三电容上的能量转移至第一电感和负载上；第二电感向负载输出能量；第一电感上的电流线性升高，第二电感上的电流线性降低。当第二开关管、第四开关管及第六开关管导通，第二开关管及第四开关管关断时，第一电感及第二电感同时向负载放电，第一电感及第二电感上的电流和线性下降，第四电容向电阻放电。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路在具体操作时，基于开关管、电容及电感构建而成，避免使用变压器，因此体积较小，功率密度较高。开关管的数目为六个，电容的数目为三个，电感的数目为两个，相比于同类型的非隔离型DC-DC拓扑电路，器件的数目较少，在实际操作时，可以选用有源的开关管，有利于降低损耗，拥有更高的效率。附图说明图1为本专利技术的电路图；图2为本专利技术在状态1时的示意图；图3为本专利技术在状态2时的示意图；图4为本专利技术在状态3时的示意图；图5为本专利技术在状态4时的示意图；图6为本专利技术的工作波形图；图7为本专利技术的输入输出电压波形图；图8为开关管的电压应力波形图；图9为电容的电压波形图；图10为电感的电流波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参考图1，本专利技术所述的适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路包括电源Uin、迪克逊充电泵及两相交错buck电路；其中，迪克逊充电泵包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3；两相交错buck电路包括第五开关管S5、第六开关管S6、第一电感L1及第二电感L2；电源Uin的负极接地，电源Uin的正极经第一开关管S1与第一电容C1的一端及第二开关管S2的一端相连接，第二开关管S2的另一端与第三开关管S3的一端及第二电容C2的一端相连接，第三开关管S3的另一端与第三电容C3的一端及第四开关管S4的一端相连接，第四开关管S4的另一端与第五开关管S5的一端、第一电感L1的一端及第二电容C2的另一端相连接，第五开关管S5的另一端接地，第一电感L1的另一端与负载Uo的一端及第二电感L2的一端相连接，第一电容C1的另一端与第三电容C3的另一端、第二电感L2的另一端及第六开关管S6的一端相连接，第六开关管S6的另一端接地，负载Uo的另一端接地。第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5及第六开关管S6均为MOS管；负载Uo由并联连接的第四电容及电阻组成。设忽略各开关管之间的死区，各电容的电容值相同，各电感的电感值相同，本专利技术具有四个工作状态，具体为：状态1(t0<t<t1)，在这个状态下，第一开关管S1及第三开关管S3导通，第二开关管S2、第四开关管S4及第六开关管S6关断，等效电路如图2所示，电源Uin与第一电容C1及第二电感L2形成回路，第一电容C1及第二电感L2被充能，第二电容C2放电，第三电容C3及第二电感L2被充能，第一电感L1向负载Uo放电，其中，第五开关管S5的开关状态不固定，第五开关管S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，其特征在于，包括电源(Uin)、迪克逊充电泵及两相交错buck电路；其中，迪克逊充电泵包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)及第三电容(C3)；两相交错buck电路包括第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第一电感(L1)及第二电感(L2)；电源(Uin)的负极接地，电源(Uin)的正极经第一开关管(S1)与第一电容(C1)的一端及第二开关管(S2)的一端相连接，第二开关管(S2)的另一端与第三开关管(S3)的一端及第二电容(C2)的一端相连接，第三开关管(S3)的另一端与第三电容(C3)的一端及第四开关管(S4)的一端相连接，第四开关管(S4)的另一端与第五开关管(S5)的一端、第一电感(L1)的一端及第二电容(C2)的另一端相连接，第五开关管(S5)的另一端接地，第一电感(L1)的另一端与负载(Uo)的一端及第二电感(L2)的一端相连接，第一电容(C1)的另一端与第三电容(C3)的另一端、第二电感(L2)的另一端及第六开关管(S6)的一端相连接，第六开关管(S6)的另一端接地，负载(Uo)的另一端接地。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，其特征在于，包括电源(Uin)、迪克逊充电泵及两相交错buck电路；其中，迪克逊充电泵包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)及第三电容(C3)；两相交错buck电路包括第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第一电感(L1)及第二电感(L2)；电源(Uin)的负极接地，电源(Uin)的正极经第一开关管(S1)与第一电容(C1)的一端及第二开关管(S2)的一端相连接，第二开关管(S2)的另一端与第三开关管(S3)的一端及第二电容(C2)的一端相连接，第三开关管(S3)的另一端与第三电容(C3)的一端及第四开关管(S4)的一端相连接，第四开关管(S4)的另一端与第五开关管(S5)的一端、第一电感(L1)的一端及第二电容(C2)的另一端相连接，第五开关管(S5)的另一端接地，第一电感(L1)的另一端与负载(Uo)的一端及第二电感(L2)的一端相连接，第一电容(C1)的另一端与第三电容(C3)的另一端、第二电感(L2)的另一端及第六开关管(S6)的一端相连接，第六开关管(S6)的另一端接地，负载(Uo)的另一端接地。2.根据权利要求1所述的适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，其特征在于，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)及第六开关管(S6)均为MOS管。3.根据权利要求1所述的适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，其特征在于，负载(Uo)由并联连接的第四电容及电阻组成。4.根据权利要求1所述的适用于数据中心电压调节模块的非隔离直流斩波电路，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，朱梦宇，于龙洋，杨成子，马伟，裴云庆，杨旭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61