CN113746331A - 使用寄生电感的谐振开关电容变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用寄生电感的谐振开关电容变换器，电源的正极经第一有源开关与第一电容的一端及第二有源开关的一端相连接，第二有源开关的另一端与第三有源开关的一端及第二电容的一端相连接，第三有源开关的另一端与第三电容的一端及第四有源开关的一端相连接，第四有源开关的另一端与第五有源开关的一端、第七有源开关的一端及负载的一端相连接，第五有源开关的另一端、第三电容的另一端及第一电容的另一端与第六有源开关的一端相连接，第七有源开关的另一端及第二电容的另一端与第八有源开关的一端相连接，该变换器能够有效利用寄生电感，以取代离散电感及平面电感。

Description

使用寄生电感的谐振开关电容变换器
技术领域
本发明涉及一种软开关谐振开关式电容变换器，具体涉及一种使用寄生电感的谐振开关电容变换器。
背景技术
随着人工智能、大数据和云计算的快速发展，数据中心的能耗将逐年增长。数据中心对高效高功率密度调压模块(VRM)的需求非常严格，传统VRM母线电压为12V，为了降低传输损耗，谷歌提出了48V母线电压的结构，数据中心将开发400V母线电压的结构，这给变换器设计带来严峻的挑战。
两段拓扑的结构已经被广泛应用。第一阶段将高输入电压转换为中间电压，然后第二阶段将中间电压转换为低输出电压。有学者已经提出了一种独立的两段拓扑结构，它由第一段的LLC拓扑结构和第二段的多段拓扑结构组成。矩阵式变压器的设计可以大大降低体积，但变压器的体积仍占总两级变换器的三分之一左右。开关式电容变换器将作为第一阶段的新候选变换器，它具有尺寸小、重量轻、效率高的优点。但传统的开关式电容变换器存在电容充放电时产生大尖峰电流的缺陷，影响了变换器的可靠性。谐振开关式电容变换器可以解决这个问题，谐振电感与LC容器中的谐振电容串联。如果开关频率接近谐振频率，则可实现ZCS。因此，高效和高可靠性是谐振开关式电容变换器的巨大优点。传统的基于硅器件的谐振变换器通常处于低频工作状态，这使得谐振电感非常大，并不适用于该方法。然而，氮化镓(GaN)功率装置被认为是一种有望实现更高频率、更高效率和更高功率密度的候选变换器。因此，借助氮化镓，谐振开关式电容变换器中的谐振电感选择低于100nH。
开关式电容变换器中的谐振电感通常被认为是分立器件和平面PCB电感器。来自PCB铜路径的寄生电感也可以看作是取代离散电感和平面PCB电感的一种可能性。一般情况下，有源开关的电压峰值通常是由寄生电感引起的，而寄生电感会引起噪声，从而降低变换器的性能，如何能够有效的利用寄生电感，降低噪声，已成为行业的困境。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种使用寄生电感的谐振开关电容变换器，该变换器能够有效利用寄生电感，以取代离散电感及平面电感。
为达到上述目的，本发明所述的使用寄生电感的谐振开关电容变换器包括第一有源开关、第二有源开关、第三有源开关、第四有源开关、第五有源开关、第六有源开关、第七有源开关、第八有源开关、电源、第一电容、第二电容及第三电容；
电源的正极经第一有源开关与第一电容的一端及第二有源开关的一端相连接，第二有源开关的另一端与第三有源开关的一端及第二电容的一端相连接，第三有源开关的另一端与第三电容的一端及第四有源开关的一端相连接，第四有源开关的另一端与第五有源开关的一端、第七有源开关的一端及负载的一端相连接，第五有源开关的另一端、第三电容的另一端及第一电容的另一端与第六有源开关的一端相连接，第七有源开关的另一端及第二电容的另一端与第八有源开关的一端相连接，第六有源开关的另一端、第八有源开关的另一端及负载的另一端与电源的负极相连接。
所述第一有源开关、第二有源开关、第三有源开关、第四有源开关、第五有源开关、第六有源开关、第七有源开关及第八有源开关均为氮化镓半桥开关。
通过所述氮化镓半桥开关的寄生电感替代离散电感及平面电感实现ZCS。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的使用寄生电感的谐振开关电容变换器在具体操作时，利用有源开关的寄生电感替代离散电感及平面电感实现ZCS，有效利用寄生电感，以取代离散电感及平面电感。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为60W原型的4：1谐振迪克森转换器的前视图；
图2b为60W原型的4：1谐振迪克森转换器的后视图；
图3a为输入电压和输出电压的波形图；
图3b为有源开关上的电压应力曲线图；
图4为第一电容C1的电压和带磁件的开关S1上的电压应力的实验波形图；
图5为基于氮化镓的原型在60W时的热特性图；
图6为现有技术的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图6，这是一个四倍转换比的结构，四倍转换比结构在成本和可靠性方面适合数据中心。当有源开关的开关频率接近LC谐振回路的谐振频率时，可实现拓扑的ZCS。假设两个谐振电感器和电容器分别相同，谐振频率为：
Figure BDA0003237101840000041
LC谐振回路内电感电流和电容器电压为：
IL(t)＝Imax×e-at×sin(2πfrt) (2)
VC(t)＝[VC(0)-(Vin-Vo)]×e-at×cos(2πfrt)+(Vin-Vo) (3)
其中，α表示衰减系数。此处提出了一种提高寄生电感的方法，用寄生电感代替离散电感和平面电感来实现ZCS。
参考图1，基于以上，本发明提出了一种用寄生电感代替离散电感和平面电感来实现ZCS的思路，具体的，本发明所述的使用寄生电感的谐振开关电容变换器包括第一有源开关S1、第二有源开关S2、第三有源开关S3、第四有源开关S4、第五有源开关S5、第六有源开关S6、第七有源开关S7、第八有源开关S8、电源Vin、第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3；
电源Vin的正极经第一有源开关S1与第一电容C1的一端及第二有源开关S2的一端相连接，第二有源开关S2的另一端与第三有源开关S3的一端及第二电容C2的一端相连接，第三有源开关S3的另一端与第三电容C3的一端及第四有源开关S4的一端相连接，第四有源开关S4的另一端与第五有源开关S5的一端、第七有源开关S7的一端及负载的一端相连接，第五有源开关S5的另一端、第三电容C3的另一端及第一电容C1的另一端与第六有源开关S6的一端相连接，第七有源开关S7的另一端及第二电容C2的另一端与第八有源开关S8的一端相连接，第六有源开关S6的另一端、第八有源开关S8的另一端及负载的另一端与电源Vin的负极相连接，所述第一有源开关S1、第二有源开关S2、第三有源开关S3、第四有源开关S4、第五有源开关S5、第六有源开关S6、第七有源开关S7及第八有源开关S8均为氮化镓半桥开关，通过所述氮化镓半桥开关的寄生电感替代离散电感及平面电感实现ZCS。
仿真实验
建立一个60W的基于氮化镓(EPC2102)半桥开关的4：1谐振迪克森变换器的硬件模型，如图2a及图2b所示，模型主功率整体尺寸为1.18*0.708*0.214立方英寸，无磁件模型主电源整体尺寸达到1.18*0.708*0.136立方英寸，功率密度分别达到340W/inch3和530W/inch3。
研究指出，仅使用PCB铜路径的寄生电感可以显著提高功率密度。如图3a所示，当变换器输入母线电压为48V时，输出电压平均值为11.8V，0.2V电压降由LC谐振回路中的ESR引起。图3b为有源开关的电压应力的稳态波形，最大电压应力为Vin/2，最小电压应力为Vin/4，具有低压应力是谐振转换器的优点。
为验证该方法的ZCS，如图4和图5所示，有源开关S1的漏源电压、谐振电容C1的电压，谐振电感电流是无法测量的，其目的是为了避免测量误差对提出的寄生电感法的影响。根据式(2)及式(3)，谐振电流和谐振电压之间有90°度相位差。因此，通过观察第一电容C1的电压可以取代谐振电流以观察ZCS。当开关频率分别达到300kHz和358kHz时，可在磁片和无磁片的情况下，实现ZCS操作。根据式(1)，谐振电感可以分别为65.5nH和46nH。
这是因为随着工作频率的增加，开关的损耗很大。模型采用半桥式氮化镓装置(EPC2102)，采用单台氮化镓装置(EPC2023)，其性能更优于EPC2102。图5中显示了在环境温度为250摄氏度且没有任何散热器而利用自然冷却时，模型在60W下运行的热性能。在原型上观察到的最高温度是800摄氏度，它发生在整流侧装置上，因为整流侧装置的电流应力大于同步整流端。

Claims (3)

1.一种使用寄生电感的谐振开关电容变换器，其特征在于，包括第一有源开关(S1)、第二有源开关(S2)、第三有源开关(S3)、第四有源开关(S4)、第五有源开关(S5)、第六有源开关(S6)、第七有源开关(S7)、第八有源开关(S8)、电源(Vin)、第一电容(C1)、第二电容(C2)及第三电容(C3)；
电源(Vin)的正极经第一有源开关(S1)与第一电容(C1)的一端及第二有源开关(S2)的一端相连接，第二有源开关(S2)的另一端与第三有源开关(S3)的一端及第二电容(C2)的一端相连接，第三有源开关(S3)的另一端与第三电容(C3)的一端及第四有源开关(S4)的一端相连接，第四有源开关(S4)的另一端与第五有源开关(S5)的一端、第七有源开关(S7)的一端及负载的一端相连接，第五有源开关(S5)的另一端、第三电容(C3)的另一端及第一电容(C1)的另一端与第六有源开关(S6)的一端相连接，第七有源开关(S7)的另一端及第二电容(C2)的另一端与第八有源开关(S8)的一端相连接，第六有源开关(S6)的另一端、第八有源开关(S8)的另一端及负载的另一端与电源(Vin)的负极相连接。
2.根据权利要求1所述的使用寄生电感的谐振开关电容变换器，其特征在于，所述第一有源开关(S1)、第二有源开关(S2)、第三有源开关(S3)、第四有源开关(S4)、第五有源开关(S5)、第六有源开关(S6)、第七有源开关(S7)及第八有源开关(S8)均为氮化镓半桥开关。
3.根据权利要求2所述的使用寄生电感的谐振开关电容变换器，其特征在于，通过所述氮化镓半桥开关的寄生电感替代离散电感及平面电感实现ZCS。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120294056A1 (en) * 2011-05-16 2012-11-22 Vincotech Gmbh Switching loss reduction in converter modules
JP6385626B1 (ja) * 2017-06-08 2018-09-05 三菱電機株式会社 電力変換装置
CN109217681A (zh) * 2018-11-26 2019-01-15 燕山大学 一种双向谐振变换器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120294056A1 (en) * 2011-05-16 2012-11-22 Vincotech Gmbh Switching loss reduction in converter modules
JP6385626B1 (ja) * 2017-06-08 2018-09-05 三菱電機株式会社 電力変換装置
CN109217681A (zh) * 2018-11-26 2019-01-15 燕山大学 一种双向谐振变换器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LONGYANG YU等: "An Integration Method of Resonant Switched-Capacitor Converters Based on Parasitic Inductance", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *

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