CN110994977A - 一种应用于48v供电系统的电源转换装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种应用于48V供电系统的电源转换装置，包括：第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第一电容、第二电容、第三电容、电感以及用于以预设占空比通过第一可控开关和第三可控开关控制第一电容进行充电、第二电容进行放电，并通过第二可控开关和第四可控开关控制第一电容进行放电、第二电容进行充电，以使第三电容输出目标电压的控制器。在本申请所提供的电源转换装置中，总共用到了四个可控开关、三个电容、一个电感以及一个控制器，而这些电子元器件的造价成本都比较低廉，所以，通过这样的设计方式可以显著降低在对48V供电系统进行供电转换过程中所需要的造价成本。
Description
技术领域
本发明涉及服务器供电技术领域，特别涉及一种应用于48V供电系统的电源转换装置、一种机柜服务器以及一种电源转换装置的控制方法。
背景技术
随着互联网行业的飞速发展，数据中心的业务承载能力要求也在不断增加。而机柜服务器是数据中心的基本单元，承载着数据中心的核心业务，这样服务器机柜就需要消耗较多的能量功耗。在此情况下，传统12V的供电系统由于功率密度高和PUE(Power UsageEffectiveness，电源使用效率)低的问题，已经无法满足这一实际应用的需求。
目前，由于48V供电系统能够利用电源适配器将380V/220V的市电转换为48V的电压，并将48V的电压转换为12V的传统电压给机柜服务器进行供电，这样就能够相对提高供电系统的功率密度以及降低供电系统的能量损耗，从而使得48V的供电系统在机柜服务器中得到了较为广泛的应用。在现有技术当中，一般是采用Buck/Boost-LLC变压器架构来对48V的供电系统进行供电转换，请参见图1和图2，图1为现有技术中Buck/Boost-LLC变压器架构中的Buck/Boost电路的结构图；图2为现有技术中Buck/Boost-LLC变压器架构中的LLC电路的结构图，在图2中，D表示驱动变压器，P表示电力变压器，显然，Buck/Boost-LLC变压器架构需要较高的造价成本。现在，针对这一问题，还没有较为有效的解决办法。
由此可见，如何降低在对48V供电系统进行供电转换过程中所需要的造价成本，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于48V供电系统的电源转换装置、一种机柜服务器以及一种电源转换装置的控制方法，以降低在对48V供电系统进行供电转换过程中所需要的造价成本。其具体方案如下：
一种应用于48V供电系统的电源转换装置，包括：第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第一电容、第二电容、第三电容、电感、以及用于以预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电，并通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电，以使所述第三电容输出目标电压的控制器；
其中，所述第一可控开关的第一端与48V供电系统的正极相连，所述第一可控开关的第二端分别与所述第二可控开关的第一端和所述第一电容的一端相连，所述第二可控开关的第二端分别与所述第三可控开关的第一端和所述第二电容的一端相连，所述第三可控开关的第二端分别与所述第四可控开关的第一端、所述第一电容的另一端和所述电感的一端相连，所述第四可控开关的第二端分别与所述48V供电系统的负极和所述第二电容的另一端相连，所述电感的另一端与所述第三电容的一端相连，所述第三电容的另一端接地，所述第一可控开关的控制端、所述第二可控开关的控制端、所述第三可控开关的控制端和所述第四可控开关的控制端均与所述控制器相连。
优选的，所述第一电容和/或所述第二电容具体为多层片式陶瓷电容。
优选的，所述控制器具体为五组相互并联的LTC7821。
优选的，所述第一可控开关具体为BSZ070N08LSS。
优选的，所述第二可控开关和/或所述第三可控开关具体为BSC032N04LS。
优选的，所述第四可控开关具体为BSC014N04LSI。
相应的，本发明还公开了一种机柜服务器，包括如前述所公开的一种应用于48V供电系统的电源转换装置。
相应的，本发明还公开了一种电源转换装置的控制方法，应用于前述所公开的一种应用于48V供电系统的电源转换装置中的控制器，包括：
以预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电，并通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电，以使所述第三电容输出目标电压。
优选的，所述以预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电，并通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电的过程，包括：
当监测到所述第一可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零，以及所述第三可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以所述预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电；
当监测到所述第二可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零，以及所述第四可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以所述预设占空比通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电。
显然，在本发明所提供的电源转换装置中，总共用到了四个可控开关、三个电容、一个电感以及一个控制器，而这些电子元器件的造价成本都比较低廉，所以，相比于现有技术中，在对48V的供电系统进行供电转换过程中所使用的Buck/Boost-LLC变压器架构而言，通过本发明所提供的电源转换装置可以显著降低在对48V供电系统进行供电转换过程中所需要的造价成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中Buck/Boost-LLC变压器架构中的Buck/Boost电路的结构图；
图2为现有技术中Buck/Boost-LLC变压器架构中的LLC电路的结构图；
图3为本发明实施例所提供的一种应用于48V供电系统的电源转换装置的结构图；
图4为传统的Buck/Boost-LLC变压器架构的电源转换效率图；
图5为本发明实施例所提供的一种应用于48V供电系统的电源转换装置的电源转换效率图；
图6为本发明实施例所提供的一种控制器的结构图；
图7为本发明实施例所提供的LTC7821的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图3，图3为本发明实施例所提供的一种应用于48V供电系统的电源转换装置的结构图，该电源转换装置包括：第一可控开关Q1、第二可控开关Q2、第三可控开关Q3、第四可控开关Q4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、电感L以及用于以预设占空比通过第一可控开关Q1和第三可控开关Q3控制第一电容C1进行充电、第二电容C2进行放电，并通过第二可控开关Q2和第四可控开关Q4控制第一电容C1进行放电、第二电容C2进行充电，以使第三电容C3输出目标电压的控制器；
其中，第一可控开关Q1的第一端与48V供电系统的正极相连，第一可控开关Q1的第二端分别与第二可控开关Q2的第一端和第一电容C1的一端相连，第二可控开关Q2的第二端分别与第三可控开关Q3的第一端和第二电容C2的一端相连，第三可控开关Q3的第二端分别与第四可控开关Q4的第一端、第一电容C1的另一端和电感L的一端相连，第四可控开关Q4的第二端分别与48V供电系统的负极和第二电容C2的另一端相连，电感L的另一端与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端接地，第一可控开关Q1的控制端、第二可控开关Q2的控制端、第三可控开关Q3的控制端和第四可控开关Q4的控制端均与控制器相连。
在本实施例中，是提供了一种新型的应用于48V供电系统的电源转换装置，通过该电源转换装置不仅能够对48V的供电电压进行降压处理，而且，也能够相对降低在对48V供电系统进行供电转换过程中所需要的造价成本。
请参见图3，当第一可控开关Q1和第三可控开关Q3处于导通状态，第二可控开关Q2和第四可控开关Q4处于关断状态时，48V供电系统会对第一电容C1进行充电，此时，第二电容C2处于放电状态；当第一可控开关Q1和第三可控开关Q3处于关断状态，第二可控开关Q2和第四可控开关Q4处于导通状态时，48V供电系统会对第二电容C2进行充电，而第一电容C1会处于放电状态。在此过程中，电感L会在预设占空比的作用下，对第一电容C1和第二电容C2所放出的电荷量进行滤波，并将第一电容C1和第二电容C2所放出的电荷量存储在第三电容C3中，以使得第三电容C3能够输出目标电压。需要说明的是，目标电压是指人们在实际应用中所需要的电压值。显然，通过此种方式，该电源转换装置就会对48V供电系统的输出电压进行低压转换，并将48V供电系统的输出电压转换为人们所需要的目标电压。
需要说明的是，在实际应用中，可以将控制器设置为任意一种能够实现相应逻辑功能的控制电路或者是逻辑器件等等，此处不作具体限定。并且，通过本实施例所提供的电源转换装置相比于传统的Buck/Boost-LLC变压器架构而言，其造价成本可以降低40％左右。
请参见图4和图5，图4为传统的Buck/Boost-LLC变压器架构的电源转换效率图，图5为本发明实施例所提供的一种应用于48V供电系统的电源转换装置的电源转换效率图。其中，传统的Buck/Boost-LLC变压器架构的电源转换效率约为97％，而本实施例所提供的电源转换装置的电源转换效率约为97.5％，比传统Buck/Boost-LLC变压器架构的电源转换效率高0.5％。以目前主流机柜服务器的总功耗为20KW计算，通过本实施例所提供的电源转换装置可以为每一个机柜服务器节约100W的功耗。
显然，在本实施例所提供的电源转换装置中，总共用到了四个可控开关、三个电容、一个电感以及一个控制器，而这些电子元器件的造价成本都比较低廉，所以，相比于现有技术中，在对48V的供电系统进行供电转换过程中所使用的Buck/Boost-LLC变压器架构而言，通过本实施例所提供的电源转换装置可以显著降低在对48V供电系统进行供电转换过程中所需要的造价成本。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，第一电容C1和/或第二电容C2具体为多层片式陶瓷电容。
具体的，是将第一电容C1或第二电容C2设置为层片式陶瓷电容，因为该种类型的电容没有正负极性的区分，并且，在本实施例中，由于第一电容C1和第二电容C2需要交替进行充电或者放电，也即，第一电容C1和第二电容C2的上下极板之间没有极性之分，所以，在本实施例中，是将第一电容C1或第二电容C2设置为层片式陶瓷电容，由此就可以进一步提高在对第一电容C1和/或第二电容C2进行充放电过程中的安全性以及可靠性。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，控制器具体为五组相互并联的LTC7821。
为了评估本申请实施例所提供的电源转换装置的电源转换情况，在本实施例中，是提供了一种控制器的具体实施方式。就目前现状而言，因为新一代系统单板功耗为2KW，而LTC7821的应用条件为400W，所以，在本实施例中，是将控制器设置为五组相互并联的LTC7821来构建电源转换装置。请参见图6，图6为本发明实施例所提供的一种控制器的结构图。同时，请参见图7，图7为本发明实施例所提供的LTC7821的结构图。
可见，通过本实施例所提供的技术方案，可以进一步保证该电源转换装置在实际操作过程中的可实施性。
作为一种优选的实施方式，第一可控开关Q1具体为BSZ070N08LSS。
在本实施例中，是将第一可控开关Q1设置为BSZ070N08LSS。能够想到的是，因为48V供电系统的正极直接与第一可控开关Q1的第一端相连，那么，当48V的直流电直接加载在第一可控开关Q1上时，可能会出现将第一可控开关Q1击穿的现象，而BSZ070N08LSS的压差比较大，所以，当将第一可控开关Q1设置为BSZ070N08LSS时，能够进一步提高本申请所提供电源转换装置在实际使用过程中的整体可靠性。
作为一种优选的实施方式，第二可控开关Q2和/或第三可控开关Q3具体为BSC032N04LS。
可以理解的是，由于第二可控开关Q2和/或第三可控开关Q3不与48V供电系统直接相连，所以，第二可控开关Q2和/或第三可控开关Q3相比于第一可控开关而言，并不需要第二可控开关Q2和/或第三可控开关Q3具有较大的压差值。
此外，由于BSC032N04LS是在实际生活中较为常见的一种Mosfet开关管，而且，BSC032N04LS的造价成本也相对比较低廉，所以，当将第二可控开关Q2和/或第三可控开关Q3设置为BSC032N04LS时，还能够相对降低该电源转换装置的整体造价成本。
作为一种优选的实施方式，第四可控开关Q4具体为BSC014N04LSI。
具体的，在本实施例中，是将第四可控开关Q4设置为BSC014N04LSI，因为BSC014N04LSI不仅可以在-55℃至150℃的温度下进行工作，而且，还具有较高的漏源击穿电压，所以，当将第四可控开关Q4设置为BSC014N04LSI时，还能够相对提高本申请所提供电源转换装置在运行过程中的稳定性以及安全性。
相应的，本发明还公开了一种机柜服务器，包括如前述所公开的一种应用于48V供电系统的电源转换装置。
本实施例所提供的一种机柜服务器，具有前述所公开的一种应用于48V供电系统的电源转换装置所具有的有益效果。
相应的，本发明还公开了一种电源转换装置的控制方法，应用于前述所公开的一种应用于48V供电系统的电源转换装置中的控制器，包括：
以预设占空比通过第一可控开关和第三可控开关控制第一电容进行充电、第二电容进行放电，并通过第二可控开关和第四可控开关控制第一电容进行放电、第二电容进行充电，以使第三电容输出目标电压。
本实施例所提供的一种电源转换装置的控制方法，可参见前述实施例所公开的技术内容，在此不再赘述。
基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，上述步骤：以预设占空比通过第一可控开关和第三可控开关控制第一电容进行充电、第二电容进行放电，并通过第二可控开关和第四可控开关控制第一电容进行放电、第二电容进行充电的过程，包括：
当监测到第一可控开关Q1的第一端和第二端之间的电压差为零，以及第三可控开关Q3的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以预设占空比通过第一可控开关Q1和第三可控开关Q3控制第一电容C1进行充电、第二电容C2进行放电；
当监测到第二可控开关Q2的第一端和第二端之间的电压差为零，以及第四可控开关Q4的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以预设占空比通过第二可控开关Q2和第四可控开关Q4控制第一电容C1进行放电、第二电容C2进行充电。
具体的，为了进一步降低该电源转换装置在使用过程中所需要消耗的能耗量，在本实施例中，是利用零电压切换的方式来控制第一可控开关Q1、第二可控开关Q2、第三可控开关Q3和第四可控开关Q4的导通与关断状态。
也即，当控制器监测到第一可控开关Q1的第一端和第二端之间的电压差为零、第三可控开关Q3的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以预设占空比通过第一可控开关Q1和第三可控开关Q3控制第一电容C1进行充电、第二电容C2进行放电；以及当控制器监测到第二可控开关Q2的第一端和第二端之间的电压差为零、第四可控开关Q4的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以预设占空比通过第二可控开关Q2和第四可控开关Q4控制第一电容C1进行放电、第二电容C2进行充电。
能够想到的是，当以零电压切换的方式来控制各个可控开关的导通与关断状态时，就可以相对减少电源转换功率器件的损耗，并实现各个可控开关的软开关，由此就可以相对降低该电源转换装置在使用过程中所需要的能耗量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种应用于48V供电系统的电源转换装置、机柜服务器以及一种电源转换装置的控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种应用于48V供电系统的电源转换装置，其特征在于，包括：第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第一电容、第二电容、第三电容、电感以及用于以预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电，并通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电，以使所述第三电容输出目标电压的控制器；
其中，所述第一可控开关的第一端与48V供电系统的正极相连，所述第一可控开关的第二端分别与所述第二可控开关的第一端和所述第一电容的一端相连，所述第二可控开关的第二端分别与所述第三可控开关的第一端和所述第二电容的一端相连，所述第三可控开关的第二端分别与所述第四可控开关的第一端、所述第一电容的另一端和所述电感的一端相连，所述第四可控开关的第二端分别与所述48V供电系统的负极和所述第二电容的另一端相连，所述电感的另一端与所述第三电容的一端相连，所述第三电容的另一端接地，所述第一可控开关的控制端、所述第二可控开关的控制端、所述第三可控开关的控制端和所述第四可控开关的控制端均与所述控制器相连。
2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述第一电容和/或所述第二电容具体为多层片式陶瓷电容。
3.根据权利要求1或2所述的电源转换装置，其特征在于，所述控制器具体为五组相互并联的LTC7821。
4.根据权利要求3所述的电源转换装置，其特征在于，所述第一可控开关具体为BSZ070N08LSS。
5.根据权利要求4所述的电源转换装置，其特征在于，所述第二可控开关和/或所述第三可控开关具体为BSC032N04LS。
6.根据权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，所述第四可控开关具体为BSC014N04LSI。
7.一种机柜服务器，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的一种应用于48V供电系统的电源转换装置。
8.一种电源转换装置的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的应用于48V供电系统的电源转换装置中的控制器，包括：
以预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电，并通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电，以使所述第三电容输出目标电压。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述以预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电，并通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电的过程，包括：
当监测到所述第一可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零，以及所述第三可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以所述预设占空比通过所述第一可控开关和所述第三可控开关控制所述第一电容进行充电、所述第二电容进行放电；
当监测到所述第二可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零，以及所述第四可控开关的第一端和第二端之间的电压差为零时，则以所述预设占空比通过所述第二可控开关和所述第四可控开关控制所述第一电容进行放电、所述第二电容进行充电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200410 |