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用于数据中心大电流供电的垂直堆叠双总线DC-DC转换器
Vertically Stacked Dual-Bus DC–DC Converter for Data Center High-Current Power Delivery
| 作者 | Jiayi Geng · Riccardo Mandrioli · C. Q. Jiang · Mattia Ricco |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 数据中心 双总线转换器 模块化设计 高输出电流 高效低成本 |
语言:
中文摘要
数据中心不断增加的功耗促使直流配电网络系统朝着高效率、高功率密度、具备冗余性和低成本设计的方向发展。为顺应这一趋势,本文提出一种用于数据中心大电流供电的双母线48 V转12/4 V背靠背转换器,采用垂直组装结构设计。该转换器采用模块化方法实现,由一个四相交错降压转换器与一个开关电容电压选择器级联组成。四个降压转换器并联,并采用交错控制调制来分配电流,为第二级的开关电容转换器提供稳定的电压。开关电容转换器的每个桥臂中并联了四个金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET),以承受高输出电流。该架构具有高度的模块化和可扩展性,可确保低电压降和冗余操作。本文对一个最大输出电流为200 A的垂直堆叠原型进行了测试和讨论。该原型实现了0.34 mΩ的小等效输出电阻,成本降低至0.82欧元/安培,并且符合美国能源部(DOE)六级能效标准。
English Abstract
Increasing power consumption in data centers is pushing the dc distribution networks system for high efficiency and power density, redundancy, and low-cost design. To comply with this trend, this article presents a dual-bus 48 V to 12/4 V back-to-back converter for high-current power delivery in data centers, designed with a vertical assembling structure. This converter is realized with a modular approach consisting of a four-phase interleaved buck converter cascaded with a switched capacitor voltage selector. The four buck converters are connected in parallel and use an interleaved control modulation to distribute the current, providing a stable voltage to the switched capacitor converter in the second stage. Four mosfets are paralleled in each leg of the switched capacitor converter to withstand the high output current. The architecture has high modularity and scalability ensuring low voltage drop and redundant operations. A vertically stacked prototype with a 200 A maximum output current is tested and discussed in this article. A small equivalent output resistance of 0.34 m , reduced cost of 0.82 €/A, and DOE Level VI efficiency compliance has been achieved.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的垂直堆叠双总线DC-DC变换器技术具有重要的借鉴价值,特别是在储能系统和数据中心供电领域的应用拓展方面。
该技术采用四相交错并联Buck变换器级联开关电容变换器的拓扑结构,实现48V到12V/4V的高效率转换,输出电流达200A。其核心优势在于:0.34mΩ的超低等效输出电阻、0.82欧元/安培的成本优势以及符合DOE Level VI能效标准。这种模块化、可扩展的架构设计理念与阳光电源在储能变流器(PCS)和光伏逆变器产品中追求的高功率密度、高可靠性目标高度契合。
对于阳光电源而言,该技术的潜在应用场景包括:一是在大型储能系统中,可借鉴其多相交错并联技术降低电流纹波,提升系统效率;二是在分布式光伏微网系统中,其双总线架构可支持多电压等级灵活配置;三是随着数据中心储能需求增长,阳光电源可将此类高电流密度变换技术整合到"光储充"一体化解决方案中。
技术挑战方面,垂直堆叠结构对热管理提出更高要求,需要在有限空间内实现有效散热。此外,多MOSFET并联的均流控制、开关电容变换器的软开关实现等细节需要深入研发。但该技术展现的模块化设计思路和成本控制能力,为阳光电源在高功率密度变换器领域的技术创新提供了明确方向,特别是在工商业储能和新型电力系统建设的市场机遇下,具有较高的工程化应用价值。