摘 要

目前数据中心的供电架构普遍采用直流48V供电，远高于用电设备的工作电压。因此寻找一种高降压比、效率较高的DC/DC变换器对于降低数据中心的高损耗至关重要，由此也会产生巨大的经济效益。

针对传统DC/DC降压变换器存在的变比小，效率低等问题，本文提出了一种混合开关电容谐振变换器的新型拓扑结构，该拓扑结构利用梯形开关电容变换器实现了降压变换，利用双边LC谐振变换器实现了零电压开关。

文后通过仿真验证了该变换器良好的降压特性，实现了从48V到6V的高降压比，且电路的工作效率达到了85%左右，基本满足实际工程需求。

关键词：开关电容；LLC谐振；软开关技术；降压变换器

Abstract

At present, the power supply architecture of the data center generally adopts the DC 48V, which

is much higher than the working voltage of the electric equipment. Therefore,it is very important to

find a  DC/DC converter with high step-down ratio and high efficiency to reduce the high loss of 

data centers, which will also generate great economic benefits.

In view of the small ratio and low efficiency of traditional DC/DC step-down converter, this paper proposes a new topology of hybrid switched capacitor resonant converter, which

uses ladder type switched capacitor converter to achieve step-down transformation ratio and

double LC resonant converter to achieve zero voltage switch.

Finally, the good voltage reducing characteristic of the converter is verified by simulation, and

the high voltage reducing ratio from 48V to 6V is realized, and the working efficiency of the circuit

reaches about 85%, which basically meets the actual engineering requirements.

Key words: switched capacitor；LLC resonant；soft-switching technology；step-down converter

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 DC/DC降压变换器的研究现状 1

1.2.2 开关电容变换器的研究现状 5

第2章 谐振变换器 9

2.1 谐振变换器的简介 9

2.1.1 串联谐振变换器（SRC） 9

2.1.2 并联谐振变换器（PRC） 10

2.1.3 串并联谐振变换器（SPRC） 10

2.2 LLC谐振变换器工作原理 11

2.2.1 f_p lt; f_s lt; f_r 工作模态 12

2.2.2 f_s gt; f_r 工作模态 14

2.2.3 f_s = f_r 工作模态 16

2.3 LLC谐振变换器参数计算 16

第3章 开关电容变换器 20

3.1 降压开关电容变换器 20

3.2 升压开关电容变换器的工作原理 22

3.3 开关电容变换器的控制 23

3.3.1 PWM控制技术 23

3.3.2 PFM控制技术 24

第4章 混合开关电容谐振变换器 26

4.1 混合开关电容谐振变换器工作原理 26

4.2 混合开关电容谐振变换器仿真验证 28

4.3 混合开关电容谐振变换器工作特性 30

4.3.1 频率-电压工作特性 30

4.3.2 功率-效率工作特性 31

4.4 混合开关电容谐振变换器改进思路 32

总结 35

参考文献 36

致 谢 38

绪论

1.1 研究背景

近年来，随着大数据分析、能源互联网和云存储等概念的出现，企业信息化开始步入人们的视野，并受到空前重视，不断推进建设应用。由此数据中心（Internet Data Center，IDC）的数据量以指数爆炸的趋势增长，建设高容量、高效率、高安全性的新一代数据中心已成为国内数据中心的主要目标。另一方面，金融、通信、能源、政府等行业对于灾备中心或数据中心的渴望也达到了前所未有的高度，传统数据中心由于各种缺陷已无法满足行业需求，大量数据中心更新换代。2019年，中国电子学会主办的“中国绿色数据中心大会”上，专家指出：我国数据中心的规模增长率在2015 年~ 2017年均在10%以上，发展迅猛，并预测2022年全国数据中心的总机架数将突破400万^[1]。

传统大型数据中心普遍存在设备闲置、能耗较大等问题，建设成本与维护成本投资巨大，供电设施利用率却普遍偏低。数据中心高耗电量对于电力系统能量的供应影响巨大，并逐渐出现能源危机。相关报告显示，仅2018年我国数据中心的总耗电量就高达1608.9亿千瓦时，并预测到2020年总耗电量将超过2000亿千瓦时，然而三峡水电站全年发电量仅为1016亿千瓦时，远远满足不了数据中心的用电需求^[1]。

数据中心的高耗电量不但大大增加了企业的经济成本，同时也浪费了我国很大一部分能源。这表明我国建设绿色数据中心之路任重而道远。2020年初，国家工信部明确规定新建大型数据中心的PUE必须降至1.4以下，于是很多企业都在为降低PUE、提高能量源利用率、节约成本而努力。建设绿色、节能的数据中心开始得到了各IT企业的广泛关注，并成为新型数据中心发展的主要趋势。

Maxim公司凭借其在电源管理领域独特的技术优势，提出48V负载点（Pol）、单级DC/DC变换器架构，有效降低了数据中心的PUE。48V架构由于没有中间级变换的存在，大幅度降低了电源传输损耗，使得能量利用率大大增加。而目前安装于数据中心机房的常用电子设备，其IC芯片所使用的直流辅助电源的电压主要有±12V，±5V，±3.3V等不同电压等级，并逐渐向低电压趋势发展。于是寻找功耗较小的高降压比方案，提高供电设施的利用率，有效减少数据中心PUE，从而节约能源成本，受到了越来越多人的关注。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 DC/DC降压变换器的研究现状

传统的降压变换器（Buck converter）如图1.1所示，电路拓扑结构简单，易于实现，但是输出电压调节范围窄。根据Buck变换器输出电压与输入电压之间的理论关系，可得出当占空比D足够小时，Buck变换器即可实现大变比降压变换。但是在实际的工程应用场合中，普通的PWM芯片很难精确地控制实现过低的占空比。而且占空比过低也会导致Buck变换器的瞬态响应变差。此外传统的Buck电路由于电源电流不连续，可能会导致电磁兼容问题，负载电压纹波也较大，效率较低。