阅读说明：本技术 串联级联式开关变压器直流直流变换器及其工作方法 (Series cascade type switch transformer direct current converter and working method thereof ) 是由 龙腾 赵晖 申彦峰 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明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<Sub>i</Sub>(i＝2、3,……,N),两个单相全桥单元、两个谐振电容C<Sub>i-r1</Sub>,C<Sub>i-r2</Sub>；所述每个第一单相桥式单元包括4个开关管Q<Sub>i-1</Sub>,Q<Sub>i-2</Sub>,Q<Sub>i-3</Sub>,Q<Sub>i-4</Sub>,所述每个第二单相桥式单元包括4个开关管Q<Sub>i-5</Sub>,Q<Sub>i-6</Sub>,Q<Sub>i-7</Sub>,Q<Sub>i-8</Sub>。本发明实现了零电流软开关和死区时间的零电压软开关,零电流软开关和零电压软开关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,实现4700W/in<Sup>3</Sup>的功率密度,48到12V的转换效率超过99.3％,对48到4V的转换效率达到97.6％。(The invention discloses a series cascade type switch transformer direct current converter which comprises N capacitors and (N-1) converter modules, wherein each converter module comprises a transformer T i (i 2, 3, … …, N), two single-phase full-bridge cells, two resonant capacitors C i‑r1 ，C i‑r2 (ii) a Each first single-phase bridge unit comprises 4 switching tubes Q i‑1 ，Q i‑2 ，Q i‑3 ，Q i‑4 Each second single-phase bridge unit comprises 4 switching tubes Q i‑5 ，Q i‑6 ，Q i‑7 ，Q i‑8 . The invention realizes zero current soft switching and zero voltage soft switching with dead time, the zero current soft switching and zero voltage soft switching technology can obviously reduce switching loss to improve efficiency, the ripple of output voltage is very small, and 4700W/in is realized 3 The conversion efficiency of 48 to 12V exceeds 99.3%, and the conversion efficiency of 48 to 4V reaches 97.6%.)

串联级联式开关变压器直流直流变换器及其工作方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电源系统的高功率密度变换器。

背景技术

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Google Amazon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。

发明内容

发明目的：本发明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T_i(i＝2、3，……,N)，两个单相全桥单元、两个谐振电容C_i-r1，C_i-r2；所述每个第一单相桥式单元包括4个开关管Q_i-1，Q_i-2，Q_i-3，Q_i-4，所述每个第二单相桥式单元包括4个开关管Q_i-5，Q_i-6，Q_i-7，Q_i-8，开关管Q_i-1的漏极连接开关管Q_i-2的源极，开关管Q_i-3的漏极连接开关管Q_i-4的源极，开关管Q_i-5的漏极连接开关管Q_i-6的源极，开关管Q_i-7的漏极连接开关管Q_i-8的源极，开关管Q_i-1和Q_i-2的公共端连接变压器T_i原边绕组的一端，原边绕组的另一端通过谐振电C_i-r1容连接Q_i-3和Q_i-4的公共端，开关管Q_i-5和Q_i-6的公共端连接变压器T_i副边绕组的一端，副边绕组的另一端通过谐振电容C_i-r2连接Q_i-7和Q_i-8的公共端，C_N的一端与开关管Q_N-1和Q_N-3的源极相连，C_N的另一端与开关管Q_N-2和Q_N-4漏极相连，同理，电容C_i的一端和开关管Q_i-1和Q_i-3的源极相连，电容C_i的另一端与开关管Q_i-2和Q_i-4漏极相连，电容C₁的一端与Q_N-5和Q_N-7的源极相连，电容C₁的另一端与Q_N-6和Q_N-8的漏极相连，C₁，C₂，……,C_i,……,C_N串联，即C_i的一端连接C_i+1的另一端，同时，C_N的一端接入输入电压V_in，C₁的一端与输出V_o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Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8的开关状态相同，开关管Q_i-2，Q_i-3，Q_i-6，Q_i-7的开关状态相同且与开关管Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-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Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8打开，开关管Q_i-2，Q_i-3，Q_i-6，Q_i-7闭合，在此过程中，电容C_i放电，电流经过Q_i-3，谐振电容C_i-r1、变压器T_i原边绕组、Q_i-2；与此同时，电容C₁充电，电流经过Q_i-6、变压器T_i副边绕组、谐振电容C_i-r2、Q_i-7，其中的谐振过程的能量存储在变压器T_i以及谐振电容C_i-r1和C _{i -r2}中。

步骤b)，开关管Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8闭合，开关管Q_i-2，Q_i-3，Q_i-6，Q_i-7打开。在此过程中，电容C_i放电，电流经过Q_i-1、变压器T_i原边绕组、谐振电容C_i-r1、Q_i-4；与此同时，电容C₁充电，电流经过Q_i-8、谐振电容C_i-r2、变压器T_i副边绕组、Q_i-5，其中的谐振过程的能量存储在变压器T_i以及谐振电容C_i-r1和C_i-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。本发明实现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。本发明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发明作进一步详细说明。

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T_i(i＝2、3，……,N)，两个单相全桥单元、两个谐振电容C_i-r1，C_i-r2；所述每个第一单相桥式单元包括4个开关管Q_i-1，Q_i-2，Q_i-3，Q_i-4，所述每个第二单相桥式单元包括4个开关管Q_i-5，Q_i-6，Q_i-7，Q_i-8，开关管Q_i-1的漏极连接开关管Q_i-2的源极，开关管Q_i-3的漏极连接开关管Q_i-4的源极，开关管Q_i-5的漏极连接开关管Q_i-6的源极，开关管Q_i-7的漏极连接开关管Q_i-8的源极，开关管Q_i-1和Q_i-2的公共端连接变压器T_i原边绕组的一端，原边绕组的另一端通过谐振电C_i-r1容连接Q_i-3和Q_i-4的公共端，开关管Q_i-5和Q_i-6的公共端连接变压器T_i副边绕组的一端，副边绕组的另一端通过谐振电容C_i-r2连接Q_i-7和Q_i-8的公共端，C_N的一端与开关管Q_N-1和Q_N-3的源极相连，C_N的另一端与开关管Q_N-2和Q_N-4漏极相连，同理，电容C_i的一端和开关管Q_i-1和Q_i-3的源极相连，电容C_i的另一端与开关管Q_i-2和Q_i-4漏极相连，电容C₁的一端与Q_N-5和Q_N-7的源极相连，电容C₁的另一端与Q_N-6和Q_N-8的漏极相连，C₁，C₂，……,C_i,……,C_N串联，即C_i的一端连接C_i+1的另一端，同时，C_N的一端接入输入电压V_in，C₁的一端与输出V_o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，开关管Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8的开关状态相同，开关管Q_i-2，Q_i-3，Q_i-6，Q_i-7的开关状态相同且与开关管Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8的开关状态相反。

具体包括如下步骤：

步骤a)，开关管Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8打开，开关管Q_i-2，Q_i-3，Q_i-6，Q_i-7闭合，在此过程中，电容C_i放电，电流经过Q_i-3，谐振电容C_i-r1、变压器T_i原边绕组、Q_i-2；与此同时，电容C₁充电，电流经过Q_i-6、变压器T_i副边绕组、谐振电容C_i-r2、Q_i-7。其中的谐振过程的能量存储在变压器T_i以及谐振电容C_i-r1和C_i-r2中。

步骤b)，开关管Q_i-1，Q_i-4，Q_i-5，Q_i-8闭合，开关管Q_i-2，Q_i-3，Q_i-6，Q_i-7打开。在此过程中，电容C_i放电，电流经过Q_i-1、变压器T_i原边绕组、谐振电容C_i-r1、Q_i-4；与此同时，电容C₁充电，电流经过Q_i-8、谐振电容C_i-r2、变压器T_i副边绕组、Q_i-5。其中的谐振过程的能量存储在变压器T_i以及谐振电容C_i-r1和C_i-r2中。

步骤c)，重复上述步骤a)与步骤b)。

图4为各个开关管的电压电流波形仿真结果，仿真结果显示所有开关管电压电流相等，表明从功率的角度看，所有模块，彼此并联，而且传输的功率相同，均流效果良好，传输效率可以达到最高；所有模块的电压应力相同，且仅为输入电压V_in的N分之一，表明从电压的角度看，所有模块彼此串联，而且均压效果良好，可以极大的减小模块的电压应力；所有模块开关瞬间，电流几乎为零，表明系统在应用死区的基础上，既可以实现零电压开通，又可以实现零电流关段，开关损耗极低。

图5为输出电压的波形图，结果显示，输出纹波极小，电压非常稳定。图6(a)为损耗随输出功率的波动，其中实线和虚线分别是两种不同的MOSFET的损耗图，分别是内阻为0.9mΩ以及0.6mΩ的导通损耗。结果显示，在所有功率下，系统的最大损耗小于7瓦，因此，系统发热极低，可靠性较高。图6(b)为效率随输出功率的波动，其中实线和虚线分别是两种不同的MOSFET的损耗图，分别是内阻为0.9mΩ以及0.6mΩ导通损耗。结果显示，系统的峰值功率在99.5％以上，满载效率为99％以上，远远超出了现有的工业产品和学术界的实验样机的效率，有极大的应用价值。