【摘要】：隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的高速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和能耗迅速增加。采用高壓直流供電架構(gòu)并直接將服務(wù)器供電模塊集成到主板上,可以顯著提高服務(wù)器系統(tǒng)的供電效率和功率密度。為了實現(xiàn)供電模塊的板上集成,DC-DC模塊需要滿足高效率高功率密度的要求,同時具有輸出電壓調(diào)節(jié)功能。LLC諧振變換器因其原副邊開關(guān)管的軟開關(guān)特性,很容易實現(xiàn)MHz的開關(guān)頻率,滿足高功率密度和高效率的要求。但是高頻LLC存在輸出電壓調(diào)節(jié)難題,并且隨著負(fù)載增加,軟開關(guān)特性可能會丟失。在傳統(tǒng)的零電壓(ZVS)條件設(shè)計過程中,通常將開關(guān)橋臂死區(qū)時間內(nèi)的電路,等效為勵磁電流給原邊開關(guān)管結(jié)電容充放電。但是通過對LLC工作模態(tài)的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn),在高頻情況下,副邊整流管提前導(dǎo)通導(dǎo)致勵磁電流被輸出電壓源旁路,并且隨著負(fù)載增加,勵磁電流越早被旁路,從而嚴(yán)重影響原邊開關(guān)管的ZVS。因此,本文通過對LLC工作于諧振點的電路模態(tài)的分析,建立了高頻LLC的ZVS功率和諧振參數(shù)邊界模型,并通過實驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。基于該ZVS邊界模型,高頻LLC采用調(diào)頻方式調(diào)節(jié)輸出電壓時,頻率的變化范圍太寬,導(dǎo)致了磁元件尺寸和效率優(yōu)化的困難。當(dāng)LLC工作在直流變壓器(DCX)時具有高效率高功率密度的優(yōu)勢,為了實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié),通常采用DCX級聯(lián)可調(diào)DC-DC的兩級方案。但是兩級方案使得系統(tǒng)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的優(yōu)勢,通過在DCX中串聯(lián)可控電壓源來實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。該可調(diào)直流變壓器(RDCX)方案中,絕大部分輸入功率直接通過DCX處理,僅有小部分輸入功率通過兩級處理實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié),保證了電路的高效率和高功率密度優(yōu)勢。文中詳細(xì)設(shè)計了輸入電壓360V-400V,輸出電壓12V,滿載功率750W的RDCX樣機參數(shù),通過實驗驗證了該RDCX方案。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46
【圖文】：

圖１－１中國數(shù)據(jù)中心年市場規(guī)模和年耗電量統(tǒng)計逡逑數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)與服務(wù)器系統(tǒng)的能耗、效率和可靠性密切相關(guān)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心逡逑采用如圖１－２所示的交流供電架構(gòu)，交流電網(wǎng)經(jīng)過交流ＵＰＳ通過整流（ＡＣ－ＤＣ）和逆變逡逑（ＤＣ－ＡＣ）兩級變換得到交流母線電壓，再經(jīng)過ＡＣ－ＤＣ和ＤＣ－ＤＣ兩級變換得到低壓母逡逑線，給服務(wù)器主板供電。這種供電架構(gòu)需要對電能進(jìn)行多次交直流轉(zhuǎn)換，因此其系統(tǒng)可靠逡逑性和效率均較低，電能轉(zhuǎn)換效率一般在８５％左右［８］。逡逑為了提高數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)的穩(wěn)定性和傳輸效率，出現(xiàn)了高壓直流供電系統(tǒng)（ＨＶＤＣ）逡逑概念ＷｌＨＶＤＣ供電架構(gòu)的系統(tǒng)框架如圖１－３所示。電網(wǎng)側(cè)的交流母線電壓經(jīng)過直流ＵＰＳ，逡逑直接將交流母線電壓通過ＡＣ－ＤＣ轉(zhuǎn)換成高壓直流母線（４００Ｖ左右）。高壓直流母線電壓逡逑經(jīng)過功率分配模塊（ＰＳＵ）直接配電至直流服務(wù)器機架電源所需的低壓母線。逡逑

圖１－３高壓直流母線供電架構(gòu)逡逑ＨＶＤＣ供電架構(gòu)相對于傳統(tǒng)交流母線供電架構(gòu)，減少了邋ＵＰＳ部分的ＤＣ－ＡＣ變換環(huán)服務(wù)器機架電源的ＡＣ－ＤＣ變換環(huán)節(jié)。所以ＨＶＤＣ的系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)傳輸效率顯著提逡逑，系統(tǒng)供電效率高達(dá)９０％以上［８］。因此本文的研究內(nèi)容主要是針對采用高壓直流母線供逡逑的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，進(jìn)行母線變流器模塊電源的設(shè)計。逡逑在ＨＶＤＣ供電架構(gòu)中由于母線電壓是４００Ｖ左右的高壓，相比于傳統(tǒng)的交流母線電逡逑，直流服務(wù)器供電電源模塊不需要對工頻能量進(jìn)行緩沖和存儲，所以可以省去體積龐緩沖電容和電感，進(jìn)而減小電源模塊的尺寸。未來母線變流器的發(fā)展趨勢是將４００Ｖ高逡逑母線直接接入直流服務(wù)器主板的供電端口，省卻機柜內(nèi)部的１２Ｖ匯流母排，極大限度減逡逑匯流母排上的線路損耗，提高服務(wù)器系統(tǒng)的供電效率。但是考慮到服務(wù)器主板的面積和逡逑度的制約，在有限的空間內(nèi)將電源模塊嵌入到服務(wù)器主板，對電源模塊功率密度和效出了巨大挑戰(zhàn)。如圖１－４是將高壓直流母線變流器集成到服務(wù)器主板的結(jié)構(gòu)框圖，具體逡逑現(xiàn)方式參照如圖丨－５所示效果，其中橢圓形框內(nèi)即供電電源模塊。逡逑

１）Ｃ＞邋ＤＣ／Ｔ＾ｇ；邋Ｓ逡逑ｆｉｔ電池逡逑圖１－２傳統(tǒng)交流母線供電架構(gòu)逡逑．直流服務(wù)器機架逡逑電網(wǎng)邐ＰＤＵ邐、邐邐！２１＞Ｊ逡逑？＜５＞0Ｓ５＞—＾邐＞ｐｃ＾邋ＤＣ）ｔｅｚ＊邋５逡逑｜邋Ｓｓ邋４００Ｖ＃邋ａ邋＂邐．＊、丨—逡逑ｌｉｔ電池逡逑圖１－３高壓直流母線供電架構(gòu)逡逑ＨＶＤＣ供電架構(gòu)相對于傳統(tǒng)交流母線供電架構(gòu)，減少了邋ＵＰＳ部分的ＤＣ－ＡＣ變換環(huán)節(jié)逡逑和服務(wù)器機架電源的ＡＣ－ＤＣ變換環(huán)節(jié)。所以ＨＶＤＣ的系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)傳輸效率顯著提逡逑高，系統(tǒng)供電效率高達(dá)９０％以上［８］。因此本文的研究內(nèi)容主要是針對采用高壓直流母線供逡逑電的數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，進(jìn)行母線變流器模塊電源的設(shè)計。逡逑在ＨＶＤＣ供電架構(gòu)中由于母線電壓是４００Ｖ左右的高壓，相比于傳統(tǒng)的交流母線電逡逑壓，直流服務(wù)器供電電源模塊不需要對工頻能量進(jìn)行緩沖和存儲，所以可以省去體積龐大逡逑的緩沖電容和電感，進(jìn)而減小電源模塊的尺寸。未來母線變流器的發(fā)展趨勢是將４００Ｖ高逡逑壓母線直接接入直流服務(wù)器主板的供電端口，省卻機柜內(nèi)部的１２Ｖ匯流母排，極大限度減逡逑小匯流母排上的線路損耗

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