串联级联式开关变压器直流直流变换器及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种串联级联式开关变压器直流直流变换器，包括N个电容以及(N‑1)个变换器模块，每一个变换器模块包括一个变压器T

【技术实现步骤摘要】
串联级联式开关变压器直流直流变换器及其工作方法
本专利技术属于电力电子
，涉及一种电源系统的高功率密度变换器。
技术介绍
机器学习算法对云计算的指数需求推动着GPU在数据中心的快速增长。48V降压至12V或4V的DC-DC变换器通常被看作是服务器中GPU的下一代电源，以降低复杂性和损耗。数据中心服务器和设备的供应商，例如Nvidia，Huawei和IBM，需要这样的转换器因为这是其产品必不可少的一部分。数据中心的投资者和运营商，例如GoogleAmazon和Microsoft，都拥有致力于研究48VDC变换器的团队，以了解数据中心对此类技术的要求。一项热门研究课题和最近(三年内)的几篇学术论文声称功率密度为1500至2500W/in3，效率在97至98之间仅对48V到12V的转换中。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于为了提高功率密度和变换效率，提出了串联级联式开关变压器直流直流变换器。技术方案：一种串联级联式开关变压器直流直流变换器，包括N个电容以及(N-1)个变换器模块，每一个变换器模块包括一个变压器Ti(i＝2、3，……,N)，两个单相全桥单元、两个谐振电容Ci-r1，Ci-r2；所述每个第一单相桥式单元包括4个开关管Qi-1，Qi-2，Qi-3，Qi-4，所述每个第二单相桥式单元包括4个开关管Qi-5，Qi-6，Qi-7，Qi-8，开关管Qi-1的漏极连接开关管Qi-2的源极，开关管Qi-3的漏极连接开关管Qi-4的源极，开关管Qi-5的漏极连接开关管Qi-6的源极，开关管Qi-7的漏极连接开关管Qi-8的源极，开关管Qi-1和Qi-2的公共端连接变压器Ti原边绕组的一端，原边绕组的另一端通过谐振电Ci-r1容连接Qi-3和Qi-4的公共端，开关管Qi-5和Qi-6的公共端连接变压器Ti副边绕组的一端，副边绕组的另一端通过谐振电容Ci-r2连接Qi-7和Qi-8的公共端，CN的一端与开关管QN-1和QN-3的源极相连，CN的另一端与开关管QN-2和QN-4漏极相连，同理，电容Ci的一端和开关管Qi-1和Qi-3的源极相连，电容Ci的另一端与开关管Qi-2和Qi-4漏极相连，电容C1的一端与QN-5和QN-7的源极相连，电容C1的另一端与QN-6和QN-8的漏极相连，C1，C2，……,Ci,……,CN串联，即Ci的一端连接Ci+1的另一端，同时，CN的一端接入输入电压Vin，C1的一端与输出Vo直接相连；所述串联级联式开关变压器直流直流变换器用以完成N:1的电压变换。进一步地，所述开关管为MOSFET、氮化镓HEMT。进一步地，使用谐振电容以及变压器作为能量传输设备；开关管可以通过变压器的谐振达成零电压或者零电流开关。进一步地，输入电压为直流电压，可为48V电压。串联级联式开关变压器直流直流变换器工作方法，所述开关管均受控制电路控制其各自导通和关断，开关管Qi-1，Qi-4，Qi-5，Qi-8的开关状态相同，开关管Qi-2，Qi-3，Qi-6，Qi-7的开关状态相同且与开关管Qi-1，Qi-4，Qi-5，Qi-8的开关状态相反。串联级联式开关变压器直流直流变换器工作方法，包括如下步骤：步骤a)，开关管Qi-1，Qi-4，Qi-5，Qi-8打开，开关管Qi-2，Qi-3，Qi-6，Qi-7闭合，在此过程中，电容Ci放电，电流经过Qi-3，谐振电容Ci-r1、变压器Ti原边绕组、Qi-2；与此同时，电容C1充电，电流经过Qi-6、变压器Ti副边绕组、谐振电容Ci-r2、Qi-7，其中的谐振过程的能量存储在变压器Ti以及谐振电容Ci-r1和Ci-r2中。步骤b)，开关管Qi-1，Qi-4，Qi-5，Qi-8闭合，开关管Qi-2，Qi-3，Qi-6，Qi-7打开。在此过程中，电容Ci放电，电流经过Qi-1、变压器Ti原边绕组、谐振电容Ci-r1、Qi-4；与此同时，电容C1充电，电流经过Qi-8、谐振电容Ci-r2、变压器Ti副边绕组、Qi-5，其中的谐振过程的能量存储在变压器Ti以及谐振电容Ci-r1和Ci-r2中。步骤c)，重复上述步骤a)与步骤b)有益效果：效率和功率密度是48VDC变换器的两个主要标准。48V至12V或4V变换器需要尽可能靠近GPU/CPU放置，以减少损耗。只有高功率密度即小尺寸变换器才能与处理器芯片紧密接近。效率需要非常高才能降低损耗成本和热影响。本专利技术实现4700W/in3的功率密度和对48到12V转换超过99.3％的效率，对48到4V转换97.6％的效率。本专利技术实现了零电流开关和死区时间的零电压开关，ZCS和ZVS技术可以显著的减小开关损耗以提高效率，输出电压的纹波非常小。附图说明图1为电路拓扑结构图；图2为步骤a)的电流流通路径；图3为步骤b)的电流流通路径；图4为各个模块中开关管的电压电流波形图；图5为输出电压波形图：图6(a)为损耗随输出功率的波动曲线，图6(b)为效率随输出功率的波动曲线。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示的一种串联级联式开关变压器直流直流变换器，包括N个电容以及(N-1)个变换器模块，每一个变换器模块包括一个变压器Ti(i＝2、3，……,N)，两个单相全桥单元、两个谐振电容Ci-r1，Ci-r2；所述每个第一单相桥式单元包括4个开关管Qi-1，Qi-2，Qi-3，Qi-4，所述每个第二单相桥式单元包括4个开关管Qi-5，Qi-6，Qi-7，Qi-8，开关管Qi-1的漏极连接开关管Qi-2的源极，开关管Qi-3的漏极连接开关管Qi-4的源极，开关管Qi-5的漏极连接开关管Qi-6的源极，开关管Qi-7的漏极连接开关管Qi-8的源极，开关管Qi-1和Qi-2的公共端连接变压器Ti原边绕组的一端，原边绕组的另一端通过谐振电Ci-r1容连接Qi-3和Qi-4的公共端，开关管Qi-5和Qi-6的公共端连接变压器Ti副边绕组的一端，副边绕组的另一端通过谐振电容Ci-r2连接Qi-7和Qi-8的公共端，CN的一端与开关管QN-1和QN-3的源极相连，CN的另一端与开关管QN-2和QN-4漏极相连，同理，电容Ci的一端和开关管Qi-1和Qi-3的源极相连，电容Ci的另一端与开关管Qi-2和Qi-4漏极相连，电容C1的一端与QN-5和QN-7的源极相连，电容C1的另一端与QN-6和QN-8的漏极相连，C1，C2，……,Ci,……,CN串联，即Ci的一端连接Ci+1的另一端，同时，CN的一端接入输入电压Vin，C1的一端与输出Vo直接相连；所述串联级联式开关变压器直流直流变换器用以完成N:1的电压变换。开关管可以为MOSFET、氮化镓HEMT。使用谐振电容以及变压器作为能量传输设备；开关管可以通过变压器的谐振达成零电压或者零电流开关。输入电压为直流电压，可为48V电压。串联级联式开关变压器直流直流变换器的工作方法为所述开关管均受控制电路控制其各自导通和关断，开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联级联式开关变压器直流直流变换器，其特征在于，包括N个电容以及(N-1)个变换器模块，每一个变换器模块包括一个变压器T

【技术特征摘要】
1.一种串联级联式开关变压器直流直流变换器，其特征在于，包括N个电容以及(N-1)个变换器模块，每一个变换器模块包括一个变压器Ti(i＝2、3，……,N)，两个单相全桥单元、两个谐振电容Ci-r1，Ci-r2；所述每个第一单相桥式单元包括4个开关管Qi-1，Qi-2，Qi-3，Qi-4，所述每个第二单相桥式单元包括4个开关管Qi-5，Qi-6，Qi-7，Qi-8，开关管Qi-1的漏极连接开关管Qi-2的源极，开关管Qi-3的漏极连接开关管Qi-4的源极，开关管Qi-5的漏极连接开关管Qi-6的源极，开关管Qi-7的漏极连接开关管Qi-8的源极，开关管Qi-1和Qi-2的公共端连接变压器Ti原边绕组的一端，原边绕组的另一端通过谐振电Ci-r1容连接Qi-3和Qi-4的公共端，开关管Qi-5和Qi-6的公共端连接变压器Ti副边绕组的一端，副边绕组的另一端通过谐振电容Ci-r2连接Qi-7和Qi-8的公共端，CN的一端与开关管QN-1和QN-3的源极相连，CN的另一端与开关管QN-2和QN-4漏极相连，同理，电容Ci的一端和开关管Qi-1和Qi-3的源极相连，电容Ci的另一端与开关管Qi-2和Qi-4漏极相连，电容C1的一端与QN-5和QN-7的源极相连，电容C1的另一端与QN-6和QN-8的漏极相连，C1，C2，……,Ci,……,CN串联，即Ci的一端连接Ci+1的另一端，同时，CN的一端接入输入电压Vin，C1的一端与输出Vo直接相连；所述串联级联式开关变压器直流直流变换器用以完成N:1的电压变换。


2.根据权利要求1所述的串联级联式开关变压器直流直流变换器，其特征在于，所述开关管为MOSFET、氮化镓HEMT。


3.根据权利要求1所述的串联级联式...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙腾，赵晖，申彦峰，
申请(专利权)人：剑桥大学南京科技创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32