[發(fā)明專利]一種高電壓轉換比直流電源變換器

有效

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• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112653328B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設計）人: 劉騰帝;伍榮翔
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H02M3/155
• 分類號: H02M3/155
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種高電壓轉換比直流電源變換器，屬于電力電子技術領域。所述直流電源變換器包括開關網(wǎng)絡模塊、第一電感和輔助電路模塊，輔助電路模塊包括第一電容、第一開關、第二開關和第二電感；開關網(wǎng)絡模塊的第一端口耦合至外部直流電源電壓，第二端口耦合至第一電感的第一端口，第三端口耦合至功率地；第一電感的第二端口耦合至輔助電路模塊的第一端口；輔助電路模塊的第二端口耦合至輸出電壓，第三端口耦合至功率地。本發(fā)明采用簡單的開關網(wǎng)絡模塊，配合輔助電路模塊，就可以顯著地提高周期內高電平的占空比D。本發(fā)明直流電源變換器可應用在48V轉1V、24V轉1V等高電壓轉換比的場景，應用在48V轉1V的電壓轉換時，其理論占空比大于14％。

技術領域

本發(fā)明屬于電力電子技術領域，具體涉及一種高電壓轉換比的直流電源變換器。

背景技術

隨著近年來大數(shù)據(jù)、云計算等技術的興起，數(shù)據(jù)中心數(shù)量大幅增加。數(shù)據(jù)中心通過大量的高性能CPU、GPU和緩存器來完成龐大的數(shù)據(jù)處理，這類電子設備的供電電壓在0.8V到1.8V之間。數(shù)據(jù)中心通常采用傳統(tǒng)的兩級功率傳輸架構，中間總線轉換器完成48V到12V的電壓轉換，負載點變換器將12V的直流總線電壓轉換為1V左右的芯片供電電壓。隨著芯片的工作電壓降低，工作電流增大，傳統(tǒng)的功率傳輸架構在傳輸路徑上的損耗急劇增大。因此一些數(shù)據(jù)中心轉而采用48V-1V直接供電方案。這種方案可以顯著降低傳輸損耗，并提高機架的功率密度和部署靈活性，但是卻對降壓變換器提出了更高的要求。

常規(guī)Buck變換器的工作原理如圖1所示。常規(guī)Buck變換器的工作周期分為兩個階段：第一階段，開關S11導通、開關S22關斷；第二階段，開關S11關斷、開關S22導通。常規(guī)Buck變換器的輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的關系為Vout/Vin＝D，其中D為開關S11的導通占空比。因此常規(guī)Buck變換器應用在48V轉1V的電壓轉換中，其理論占空比小于2.1％。而在實際應用中由于效率與開關管應力的限制，常規(guī)Buck變換器的占空比通常大于10％。因此對于常規(guī)Buck變換器來說，完成48V轉1V的電壓變換是難以實現(xiàn)的。

圖2為一種現(xiàn)有的高電壓轉換比直流電源變換器，采用一個由多個開關和多個電容組成的開關網(wǎng)絡模塊代替常規(guī)Buck變換器中的兩開關半橋開關網(wǎng)絡，開關網(wǎng)絡模塊的第一端口耦合至外部直流電源電壓Vin、第二端口耦合至所述電感L1的第一端口、第三端口耦合至功率地。電感L1的第二端口耦合至外部負載。所述開關網(wǎng)絡模塊包括10個開關(S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42、S51、S52)和5個電容(C1，C2，C3，C4，C5)。工作原理為：開關網(wǎng)絡模塊中，電容C1、C2的容值相同，所以電容C1、C2兩端電壓均為Vin/2。開關S11、S21同時導通時，開關S12、S22同時關斷。開關S12、S22同時導通時，開關S11、S12同時關斷。開關S11、S12、S21、S22的導通占空比均為50％，電容C3、C4的容值相同，因此C3、C4兩端的電壓均為Vin/4。開關S31、S41同時導通時，開關S32、S42同時關斷。開關S32、S42同時導通時，開關S31、S42同時關斷。開關S31、S32、S41、S42的導通占空比均為50％，因此電容C5兩端電壓為Vin/4。開關S51導通時，開關S52關斷；開關S52導通時，開關S51關斷。因此開關網(wǎng)絡模塊的第二端口輸出高電平為Vin/4、低電平為0(接地)的周期性方波。開關S51的導通占空比為D，也即周期性方波的高電平占空比為D，那么高電壓轉換比直流電源變換器的輸入電壓Vin與輸出穩(wěn)定電壓Vout的關系為：因此該高電壓轉換比直流電源變換器應用在48V轉1V的電壓轉換中，其理論占空比小于8.4％。雖然提高了開關導通占空比，但是需要采用復雜的開關網(wǎng)絡模塊。復雜的開關網(wǎng)絡模塊存在較大的電荷分配損耗，而且需要復雜的控制電路來保證開關網(wǎng)絡模塊能夠正常工作，同時需要兩組控制電路模塊產(chǎn)生兩種占空比使變換器正常工作。此外，所述高電壓轉換比直流電源變換器中器件的數(shù)量過多，不利于提高變換器的集成度。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于，針對背景技術存在的缺陷，提出了一種高電壓轉換比直流電源變換器。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：