基于低压器件的高效高功率密度串联谐振DC-DC 变换器

施鸿波，吴新科，郭 清

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

随着全球信息化的飞速发展，数据中心的规模 与耗电量与日俱增。 数据显示2016 年中国数据中心总耗电量为1 100 亿kW·h， 占全年总用电量的1.8%[1]。 全球数据中心耗电量占比为2%，到2020 年预计增长到5%[2]。而数据中心的供配电系统损耗占总能耗的10%左右[3-4]。 为提升数据中心的电能使用效率PUE（power usage effectiveness），业界提出了高压直流母线架构[5-7]，相对于传统的交流供电架构，具有高效率、高可靠性、高扩展性、低成本、低谐波干扰等优势[8-9]，是未来的发展趋势。

从高压直流母线电压（380 V）到负载点电压（12 V）需要一级隔离的降压DC/DC 变换器模块。未来的发展趋势是母线变换器及其负载都集成在主板上，从而实现集成化、模块化的产品[9-10]。 而目前380 V/12 V 的DC-DC 模块产品工作频率多在200 kHz，功率密度低于400 W/in3[11-12]，不符合主板集成所要求的高功率密度需求。而串联谐振电路能实现全负载范围的原边开关管零电压开通ZVS on（zero-voltage switching on）与小电流关断，在MHz 下能实现较高的效率与功率密度，满足主板集成DCDC 模块的需求[10,13-14]。 在MHz 变换器中，新一代电力电子器件GaN HEMT 在高频变换器中相对于Si MOSFET 有较大的优势[10,13-14]，但在商业化的电源模块中极少见GaN 器件的应用。

本文首先建立SRC 中原边开关管的损耗模型，在此基础上进行原边开关器件的选型；然后，针对低压器件进行拓扑的设计并提出原边高压输入侧串联的多相SRC 电路；最后，通过样机实验进行验证设计，所提变换器可以实现较高的效率与功率密度。

1 原边开关管导通损耗数学模型

典型的半桥串联谐振电路及关键工作波形如图1 所示。……