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系统并网技术 ★ 5.0

相位偏移调节的谐振开关电容中间母线变换器在48V数据中心电源系统中的应用

Phase Shift Regulated Resonant Switched-Capacitor-Based Intermediate Bus Converter for 48 V Data Center Power System

作者
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 48V数据中心电源系统 中间总线转换器 移相调节 软开关 效率优化
语言:

中文摘要

在48 V数据中心电源系统的两级架构中,前端中间总线转换器(IBC)需要同时适应48 V的标称输入电压和备用电池的宽输入电压范围(通常为40 V - 60 V)。为应对这一设计挑战,我们提出了一种基于移相调节谐振开关电容的IBC。在标称输入下,它通过一个 <italic xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">n</i>:1的变压器实现4<italic xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">n</i>:1的电压转换比,并且显著降低了初级开关上的电应力。此外,零电压开关(ZVS)不依赖于变压器的励磁电流。因此,可以抑制励磁电流以优化效率。当连接备用电池时,在堆叠桥之间引入移相以调节宽输入电压。本文提供了理论分析和设计考量,以展示所提方案的优势。设计并测试了一个工作频率为1 MHz的硬件原型,该原型可将40 V - 60 V的输入转换为稳定的12 V输出,最大输出电流为20 A。实验结果充分验证了其卓越的软开关和电压调节性能。在48 V输入、12 V/7 A输出的情况下,峰值效率达到97.12%。

English Abstract

In the two-stage architecture of 48 V data center power systems, the front-end intermediate bus converter (IBC) needs to adapt to both 48 V nominal input voltage and a wide input voltage range of the backup battery (typically 40 V–60 V). To cope with this design challenge, we propose a phase shift regulated resonant switched-capacitor-based IBC. At nominal input, it achieves a 4n:1 voltage conversion ratio with an n:1 transformer, and the electrical stresses on primary switches are significantly reduced. Furthermore, zero voltage switching (ZVS) does not rely on the transformer's magnetizing current. Therefore, the magnetizing current can be suppressed to optimize the efficiency. When the backup battery is linked, a phase shift is introduced between the stacked bridges to regulate the wide input voltage. Theoretical analysis and design considerations are provided to showcase the advantages of the proposed concept. A hardware prototype operated at 1 MHz, converting 40 V–60 V input to stable 12 V and maximum 20 A output, is designed and tested. Experimental results well validate its exceptional soft-switching and voltage regulation performances. The peak efficiency reaches 97.12% at 48 V input and 12V/7 A output.
S

SunView 深度解读

从阳光电源储能系统和数据中心能源解决方案的业务视角来看,这项相移调节谐振开关电容中间母线变换器技术具有重要的应用价值和借鉴意义。

该技术针对48V数据中心电源系统的宽输入电压范围(40V-60V)设计挑战,提出了创新的相移调节方案。这与阳光电源在储能系统中面临的电池电压波动问题高度契合。在我们的模块化储能产品中,电池组在充放电过程中同样存在较宽的电压变化范围,该技术的4n:1变换比设计和相移调节策略可为我们的DC-DC变换器优化提供新思路。

技术亮点在于其97.12%的峰值效率和1MHz高频运行能力。高频化设计可显著减小磁性元件体积,这对阳光电源追求高功率密度的储能变流器和光储一体机产品极具吸引力。更重要的是,其零电压开关(ZVS)特性不依赖变压器励磁电流,这意味着可在保持软开关优势的同时降低磁芯损耗,这一设计理念可应用于我们的高频逆变器技术升级。

从应用前景看,该技术已达到原型验证阶段,技术成熟度较高。对于阳光电源而言,可考虑将其应用于:一是数据中心储能系统的前端变换器;二是分布式光储系统的宽电压输入场景;三是电动汽车充电桩的DC-DC模块。

主要挑战在于从20A小功率向数千瓦级功率扩展时的并联均流控制、高频开关器件的EMI抑制,以及在复杂工况下的长期可靠性验证。建议我们的研发团队深入评估其在大功率储能变流器中的适配性,特别是与我们现有的模块化拓扑架构的融合可能性。