高压直流供电系统中高频DC/DC变换技术的研究

摘要

近年来，随着全球数据通信量的快速增长，ICT(Information and CommunicationTechnology)设备的电能消耗也在不断增加，在数据中心构建一个合理的供电系统就显得尤为必要。高压直流供电系统以其简单的系统结构、较低的传输电流以及较高的传输效率等优异的性能，在近年来得到了广泛的关注，有着广泛的应用前景。而DC/DC变换器的高频化，能有效缩小供电电源模块中磁元件的体积，对于提高高压直流供电系统的功率密度，有着重要意义。因此本文针对应用于数据中心高压直流供电系统中的高频DC/DC变换器进行研究。
　　本文首先对数据中心高压直流供电系统提出的背景，系统内部各个模块的基本功能，下一代高压直流供电系统的特点，谐振变换技术在高压直流供电系统中的应用以及新型宽禁带碳化硅半导体器件的优异特性进行了概述。
　　然后，使用基波分析法(FHA)对高频谐振DC/DC变换器的模型进行简化，得到其增益特性曲线并对其进行了研究。同时，文中还对谐振变换器开关频率略低于谐振频率时的电路模态进行了研究。并详细分析了LLC谐振变换器的软、硬开关过程，以及电路实现软开关的几个基本条件。
　　之后，对DC/DC变换器进行优化设计。结合数据中心高压直流供电系统这一应用背景，对变换器主电路进行了设计，包括电路中主要元件的选型以其磁元件的优化。并在综合考虑碳化硅MOSFET器件的特点、驱动电路的可靠性以及电路高频化的需求之后，对碳化硅MOSFET的驱动电路进行了设计。还对变换器的损耗进行了分析，以评估变换器在传输效率方面的表现。
　　最后，对DC/DC变换器的工作原理进行仿真和实验验证。首先利用电力电子仿真软件Psim对电路进行了仿真分析，仿真结果表明前文的模态分析过程基本准确。然后搭建了一台高频DC/DC变换器样机，样机基于LLC谐振变换技术，实现了输入输出800V/400V变换、软开关以及原副边隔离等功能，最高效率达到98.5％，额定传输功率为1.7kW，开关频率为550kHz。

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 数据中心对供电系统的要求

1．2 高压直流供电系统提出的背景及现状

1．3 高压直流供电系统的构成

1．4 谐振变换技术在高压直流供电系统中的应用

1．4．1 谐振变换器的分类

1．4．2 LLC谐振变换器

1．5 碳化硅器件在高压直流供电系统中的应用

1．6 本文的主要研究工作

2 高频DC／DC变换技术的研究

2．1 LLC谐振变换器的主电路结构

2．2 谐振变换器的基波分析法

2．2．1 谐振变换器线性模型的建立

2．2．2 谐振变换器的增益特性

2．3 谐振变换器的模态分析

2．4 谐振变换器的软、硬开关过程

2．4．1 谐振变换器的简化

2．4．2 谐振变换器零电压开通过程分析

2．4．3 谐振变换器硬开通的不利影响

2．4．4 谐振变换器软开关实现的条件

2．5 本章小结

3 高频LLC谐振变换器的设计

3．1 谐振变换器主电路的设计

3．1．1 变换器电压等级的选择

3．1．2 变换器开关器件的选择

3．1．3 变换器电容的选择

3．1．4 变换器谐振参数的设计

3．1．5 变换器磁元件的设计

3．2 碳化硅MOSFET驱动电路的设计

3．2．1 碳化硅MOSFET的特点总结

3．2．2 碳化硅MOSFET驱动电路的原理

3．3 谐振变换器的损耗分析

3．3．1 原边MOSFET损耗

3．3．2 变压器损耗

3．3．3 副边整流二极管的损耗

3．3．4 变换器的理论效率

3．4 本章小结

4 仿真与实验验证

4．1 谐振变换器的仿真分析

4．2 谐振变换器的实验验证

4．3 本章小结

5 全文总结

参考文献

作者简历

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