CN114844359A - 一种高降压比直流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高降压比直流电源，该电源包括输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；其中第一功率变换部分包含一个双端口输入、双端口输出的四端口电路，第二功率变换部分是一个双端口输入、双端口输出的多模块功率变换部分。所述电源具有改良的副边整流结构，能够提高变压器绕组利用率，并且能够使用耦合电感，提高系统效率和功率密度。同时可根据电压及功率等级灵活拓展，适用于高压输入、低压大电流输出的隔离/非隔离电源应用。

Description

一种高降压比直流电源
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种高降压比直流电源。
背景技术
近年来人工智能、边缘计算等技术的兴起加大了了对数据处理的需求，而数据中心作为将电力转化为算力的枢纽，用电量也大幅提升，而随着数据中心规模的增大，为降低数据中心线路的传输损耗，48V总线体系已经成为一种新的标准，如何实现高效、高降压比工作，提升数据中心的能效比，已经成了当下研究的热点。
文献A 48V-to-1V Buck-Assisted Active-Clamp Forward Converter withReduced Voltage Stress for Datacenter Applications(2020 IEEE EnergyConversion Congress and Exposition(ECCE),2020)提出了一种有源钳位的正激型变换器，通过一级Buck部分以及一级单管正激部分来实现高降压比和高压隔离，相比于传统的有源钳位正激变换器，虽然原边侧开关管的电压应力有所改善，变压器原副边绕组均只在一个模态中传递功率，绕组利用率低，而且单个变压器不适用于大电流场合的应用。
文献A new high efficiency and high power density 48V to 1V converter(2021 IEEE 1st International Power Electronics and Application Symposium(PEAS)，2021)和文献Design Optimization of Unregulated LLC Converter withIntegrated Magnetics for Two-Stage 48V VRM(2019 IEEE Energy ConversionCongress and Exposition(ECCE),2019)均在LLC变换器的基础上提出了一种高降压比结构，变压器原边绕组利用率相比于单管正激变换器提高了一倍，而且采用了矩阵变压器结构，但变压器副边采用了两个绕组，每个绕组仍只在一个工作模态中传递功率，因此副边绕组利用率仍较低。
发明内容
鉴于上述，为解决现有技术中变压器绕组利用率低的问题，提高系统效率和功率密度，本发明提供了一种高降压比直流电源，该电源中变压器副边的整流部分有所改良，绕组利用率高，同时可根据输入电压和功率等级整流模块数，拓展性好，适用于高压输入、低压大电流输出场合下的隔离/非隔离电源应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种高降压比直流电源，其包括：输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；
所述第一功率变换部分包含4个开关管和四个端口，其中，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极以及第一功率变换部分的第一端口共接，第一开关管的源极、第三开关管的漏极以及第一功率变换部分的第二端口共接，第三开关管的源极、第四开关管的源极以及第一功率变换部分的第四端口共接，第二开关管的源极、第四开关管的漏极以及第一功率变换部分的第三端口共接；
所述第二功率变换部分包含k个整流模块和四个端口，
第二功率变换部分中的每个整流模块包含一个变压器、两个整流开关管、两个电感和四个端口，每个整流模块内部连接方式为，变压器的原边绕组的同名端和整流模块的第一端口相连，变压器的原边绕组的非同名端和整流模块的第二端口相连，变压器的副边绕组的同名端，第一整流开关管的漏极以及第一电感的一端共接，变压器的副边绕组的非同名端，第二整流开关管的漏极以及第二电感的一端相连，第一电感的另一端，第二电感的另一端以及整流模块的第四端口共接，第一整流开关管的源极、第二整流开关管的源极和整流模块的第三端口共接，
第二功率变换部分内部的连接方式为，第一整流模块的第一端口和第二功率变换部分的第一端口共接，第j整流模块的第二端口和第j+1整流模块的第一端口相连，第k整流模块的第二端口和第二功率变换部分的第二端口相连，所有整流模块的第三端口和第二功率变换部分的第三端口共接，所有整流模块的第四端口和第二功率变换部分的第四端口共接，其中，j、k为整数，且1≤j≤k-1；
第一功率变换部分的第一端口与输入源的正极相连，第一功率变换部分的第二端口与第二功率变换部分的第一端口相连，第一功率变换部分的第三端口与第二功率变换部分的第二端口相连，第一功率变换部分的第四端口与输入源的负极相连，第二功率变换部分的第三端口用于连接外部负载的正极，第二功率变换部分的第四端口用于连接外部负载的负极。
作为本发明的优选方案，整流模块中所用的整流开关管为全控型功率半导体器件。
作为本发明的优选方案，第二功率变换部分中，整流模块内的整流管为不控型功率半导体器件，此时，整流模块内部的连接方式为，变压器的原边绕组的同名端和整流模块第一端口相连，变压器的原边绕组的非同名端和整流模块的第二端口相连，变压器的副边绕组的同名端，第一整流管的阴极以及第一电感的一端共接，变压器的副边绕组的非同名端，第二整流管的阴极以及第二电感的一端相连，第一电感的另一端，第二电感的另一端以及整流模块的第三端口共接，第一整流管的阳极、第二整流管的阳极和整流模块的第三端口共接。
作为本发明的优选方案，输入源的负极、第一功率变换部分的第四端口、第二功率变换部分的第四端口以及外部负载的负极可以共接。
作为本发明的优选方案，第二功率变换部分的整流模块内部的电感是耦合电感。
作为本发明的优选方案，第二功率变换部分中整流模块内部的第一电感和第二电感反向耦合，且第j整流模块的第二电感和第j+1整流模块的第一电感也反向耦合。
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明高降压比直流电源的第二功率变换部分采用模块化结构，易于设计。
(2)本发明高降压比直流电源可根据电压和功率等级对整流部分的个数进行调整，易于拓展。
(3)本发明高降压比直流电源的变压器绕组利用率高，可以提高系统效率及功率密度。
(4)本发明高降压比直流电源使用耦合电感，可提高功率密度和系统的稳态及动态性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的高降压比直流电源的两种典型系统连接图之一；
图2为本发明一实施例的高降压比直流电源的两种典型系统连接图之一；
图3为本发明一实施例的第一功率变换部分的电路拓扑图；
图4为本发明一实施例的第二功率变换部分的内部连接图；
图5为本发明一实施例的第二功率变换部分内单个整流模块的四种电路拓扑图之一；
图6为本发明一实施例的第二功率变换部分内单个整流模块的四种电路拓扑图之一；
图7为本发明一实施例的第二功率变换部分内单个整流模块的四种电路拓扑图之一；
图8为本发明一实施例的第二功率变换部分内单个整流模块的四种电路拓扑图之一；
图9为本发明一实施例的高降压比直流电源的系统拓扑图之一；
图10为本发明一实施例的高降压比直流电源的系统拓扑图之一；
图11为本发明一实施例的高降压比直流电源的系统拓扑图之一；
图12为本发明一实施例的高降压比直流电源的系统拓扑图之一。
具体实施方式
为更明显的体现本发明的上述特征及优点，下面将结合附图和具体电源实施例进行详细说明。本发明中各个实施方式的技术特征，在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
图1为本发明一实施例的高降压比直流电源的系统连接图，其包含输入源、一个四端口的第一功率变换部分、一个四端口的第二功率变换部分，输入源的正极和第一功率变换部分的第一端口A相连，输入源的负极和第一功率变换部分的第四端口D相连，第一功率变换部分的第二端口B和第二功率变换部分的第一端口A’相连，第一功率变换部分的第三端口C和第二功率变换部分的第二端口B’相连，第二功率变换部分的第三端口C’和外部负载的正极相连，第二功率变换部分的第四端口D’和外部负载的负极相连；
图2为本发明另一可选实施例的高降压比直流电源的系统连接图，所有部分采用共地连接，其包含输入源、一个四端口的第一功率变换部分、一个四端口的第二功率变换部分，输入源的正极和第一功率变换部分的第一端口A相连，输入源的负极，第一功率变换部分的第四端口D，第二功率变换部分的第四端口D’以及外部负载的负极共接，第一功率变换部分的第二端口B和第二功率变换部分的第一端口A’相连，第一功率变换部分的第三端口C和第二功率变换部分的第二端口B’相连，第二功率变换部分第三端口C’和外部负载正极相连；
图3为本发明一实施例的第一功率变换部分的电路拓扑图，包含4个开关管和四个端口，第一开关管QH1的漏极、第二开关管QH2的漏极以及第一功率变换部分的第一端口A共接，第一开关管的QH2源极、第三开关管QH3的漏极以及第一功率变换部分的第二端口B共接，第三开关管QH3的源极、第四开关管QH4的源极以及第一功率变换部分的第四端口D共接，第二开关管QH2的源极、第四开关管QH4的漏极以及第一功率变换部分的第三端口C共接；
图4为本发明一实施例的第二功率变换部分的内部连接图，包含k个整流模块和四个端口，第二功率变换部分内部的连接方式为，第一整流模块的第一端口R1-1和第二功率变换部分的第一端口共接A’，第j整流模块的第二端口Rj-2和第j+1整流模块的第一端口Rj+1-1相连，第k整流模块的第二端口Rk-2和第二功率变换部分的第二端口B’相连，所有整流模块的第三端口(R1-3、R2-3、……、Rk-3)和第二功率变换部分的第三端口C’共接，所有整流模块的第四端口(R1-4、R2-4、……、Rk-4)和第二功率变换部分的第四端口共接D’，其中，j、k为整数，且1≤j≤k-1；
图5为本发明一实施例的第二功率变换部分中的单个整流模块的电路拓扑图，其整流管为全控型功率半导体器件，包含一个变压器、两个整流开关管、两个电感和四个端口，以编号为k的整流模块为例，整流模块内部连接方式为，变压器Tk的原边绕组Nk-1的同名端和整流模块的第一端口Rk-1相连，变压器的原边绕组Tk的非同名端和整流模块的第二端口Rk-2相连，变压器的副边绕组Nk-2的同名端，第一整流开关管QK-1的漏极以及第一电感Lk-1的一端共接，变压器的副边绕组Nk-2的非同名端，第二整流开关管QK-2的漏极以及第二电感Lk-2的一端相连，第一电感Lk-1的另一端，第二电感Lk-2的另一端以及整流模块的第四端口Rk-4共接，第一整流开关管QK-1的源极、第二整流开关管QK-2的源极和整流模块的第三端口Rk-3共接，
图6为本发明一实施例的第二功率变换部分中的单个整流模块的电路拓扑图，其整流管为不控型功率半导体器件，包含一个变压器、两个整流管、两个电感和四个端口，以编号为k的整流模块为例，整流模块内部连接方式为，变压器Tk的原边绕组Nk-1的同名端和整流模块第一端口Rk-1相连，变压器的原边绕组Tk的非同名端和整流模块的第二端口Rk-2相连，变压器的副边绕组Nk-2的同名端，第一整流管DK-1的阴极以及第一电感Lk-1的一端共接，变压器的副边绕组Nk-2的非同名端，第二整流管DK-2的阴极以及第二电感Lk-2的一端相连，第一电感Lk-1的另一端，第二电感Lk-2的另一端以及整流模块的第四端口Rk-4共接，第一整流开关管DK-1的阳极、第二整流管DK-2的阳极和整流模块的第三端口Rk-3共接，
图7为本发明一实施例的第二功率变换部分中的单个整流模块的电路拓扑图，其整流管为全控型功率半导体器件，所用的电感为耦合电感；
图8为本发明一实施例的第二功率变换部分中的单个整流模块的电路拓扑图，其整流管为不控型功率半导体器件，所用的电感为耦合电感；
图9为本发明一实施例电源的系统拓扑，其包含输入源、第一功率变换部分和一个包含两个整流模块的第二功率变换部分；
图10为本发明一实施例电源的系统拓扑，其包含输入源、第一功率变换部分和一个包含两个整流模块的第二功率变换部分，且输入源、第一功率变换部分、第二功率变换部分和外部负载采用共地连接；
图11为本发明一实施例电源的系统拓扑，其包含输入源、第一功率变换部分和一个包含两个整流模块的第二功率变换部分，且第二功率变换部分中任意两相邻电感均反向耦合；
图12为本发明一实施例电源的系统拓扑，其包含输入源、第一功率变换部分和一个包含两个整流模块的第二功率变换部分，且第二功率变换部分中任意两相邻电感均反向耦合。
下面将结合具体实施例，通过理论分析来说明本发明的优势。从图9和图12所示的具体实施例可以看出，第二功率部分每个整流模块完全相同，因此仅需设计单个模块的参数，即可完成整个功率部分的设计，而且针对不同的应用场合，仅需调整模块数目即可，无需重新设计。
以图9中的实施例为例，副边绕组一个周期有两个工作模态，在一个工作模态中Q1-2导通，N1-2中有自下而上的电流，在第二个工作模态中，Q1-1导通，N1-2中有自上而下的电流，因此在整个周期中，副边绕组都在传递能量，而传统方案中副边采用两个绕组来整流，每个绕组只在一半周期内传递功率，因此本发明中整流部分的绕组利用率为传统方案的两倍。
此外，耦合电感是将多个绕组绕制在一个磁芯上，而传统电感每个磁芯都只有一组绕组，这允许减小磁芯数目，通过反向耦合，还可以抵消磁芯中的磁通，进而减小磁芯体积。而传统方案多采用非耦合的分立电感来实现，因此通过使用耦合电感，本发明可以实现更高的功率密度。
以上实例具体地示出和描述了本发明的示例性实施，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案，以便于本技术领域的普通技术人员理解和应用本发明，本发明不限于这里所描述的详细结构、设置方法或实现方式。应说明的是，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，或者把本发明部分或者全部技术特征做等同替换，或把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动，对本发明的修改、改进或者技术特征的等同替换都应该在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高降压比直流电源，其特征在于包括：输入源、第一功率变换部分和第二功率变换部分；
所述第一功率变换部分包含4个开关管和四个端口，其中，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极以及第一功率变换部分的第一端口共接，第一开关管的源极、第三开关管的漏极以及第一功率变换部分的第二端口共接，第三开关管的源极、第四开关管的源极以及第一功率变换部分的第四端口共接，第二开关管的源极、第四开关管的漏极以及第一功率变换部分的第三端口共接；
所述第二功率变换部分包含k个整流模块和四个端口，
第二功率变换部分中的每个整流模块包含一个变压器、两个整流开关管、两个电感和四个端口，每个整流模块内部连接方式为，变压器的原边绕组的同名端和整流模块的第一端口相连，变压器的原边绕组的非同名端和整流模块的第二端口相连，变压器的副边绕组的同名端，第一整流开关管的漏极以及第一电感的一端共接，变压器的副边绕组的非同名端，第二整流开关管的漏极以及第二电感的一端相连，第一电感的另一端，第二电感的另一端以及整流模块的第四端口共接，第一整流开关管的源极、第二整流开关管的源极和整流模块的第三端口共接，
第二功率变换部分内部的连接方式为，第一整流模块的第一端口和第二功率变换部分的第一端口共接，第j整流模块的第二端口和第j+1整流模块的第一端口相连，第k整流模块的第二端口和第二功率变换部分的第二端口相连，所有整流模块的第三端口和第二功率变换部分的第三端口共接，所有整流模块的第四端口和第二功率变换部分的第四端口共接，其中，j、k为整数，且1≤j≤k-1；
第一功率变换部分的第一端口与输入源的正极相连，第一功率变换部分的第二端口与第二功率变换部分的第一端口相连，第一功率变换部分的第三端口与第二功率变换部分的第二端口相连，第一功率变换部分的第四端口与输入源的负极相连，第二功率变换部分的第三端口用于连接外部负载的正极，第二功率变换部分的第四端口用于连接外部负载的负极。
2.根据权利要求1所述的一种高降压比直流电源，其特征在于，整流模块中所用的整流开关管为全控型功率半导体器件。
3.根据权利要求1所述的一种高降压比直流电源，其特征在于，第二功率变换部分中，整流模块内的整流管为不控型功率半导体器件，此时，整流模块内部的连接方式为，变压器的原边绕组的同名端和整流模块第一端口相连，变压器的原边绕组的非同名端和整流模块的第二端口相连，变压器的副边绕组的同名端，第一整流管的阴极以及第一电感的一端共接，变压器的副边绕组的非同名端，第二整流管的阴极以及第二电感的一端相连，第一电感的另一端，第二电感的另一端以及整流模块的第三端口共接，第一整流管的阳极、第二整流管的阳极和整流模块的第三端口共接。
4.根据权利要求2或3所述的高降压比直流电源，其特征在于，输入源的负极、第一功率变换部分的第四端口、第二功率变换部分的第四端口以及外部负载的负极可以共接。
5.根据权利要求2或3所述的高降压比直流电源，其特征在于，第二功率变换部分的整流模块内部的电感是耦合电感。
6.根据权利要求2或3所述的高降压比直流电源，其特征在于，第二功率变换部分中整流模块内部的第一电感和第二电感反向耦合，且第j整流模块的第二电感和第j+1整流模块的第一电感也反向耦合。
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