摘 要

随着各种互联网科技的迅速发展，数据中心的用电量日益提高，传统的直流变换器已经满足不了数据中心供电的效率要求，高效率高功率成为了直流变换器新的研究方向。而在这个研究方向中，高效率的谐振型开关电容变换器越来越受到关注，为此本文主要研究对象是谐振型开关电容变换器。

本文首先分析了开关电容变换器的工作原理，并介绍了软开关技术。接着依据软开关电路的原理，在传统开关电容DC-DC变换器中加入小电感实现谐振，创造了零开关条件，从而减少了开关损耗，提高了变换效率。

最后根据工作原理设计电路参数，分别搭建了变比为4：1的谐振型开关电容直流变换器和传统型开关电容直流变换器。通过仿真测量了他们在频率不变时改变输出功率和输出功率不变时改变频率两种情况下的效率，结果表明，加入辅助电路的谐振型开关电容DC-DC变换器效率得到了提高。

关键词：开关电容；辅助电路；谐振；效率

Abstract

With the rapid development of various Internet technologies, the power consumption of data centers is increasing day by day, and the traditional dc converter can no longer meet the efficiency requirements of data center power supply, so high efficiency and high power have become a new research direction of dc converter. In this research direction, more and more attention has been paid to the high-efficiency resonant switching capacitor converter. Therefore, the main research object of this paper is resonant switching capacitor converter.

This paper first analyzes the working principle of switching capacitor converter and introduces the soft switching technology. Then, according to the principle of soft switching circuit, a small inductor is added to the traditional switching capacitor dc-dc converter to realize resonance, creating zero switching conditions, thus reducing switching loss and improving conversion efficiency.

Finally, according to the working principle, the circuit parameters are designed, and the resonant switched capacitor dc converter and the traditional switched capacitor dc converter with the ratio of 4:1 are built respectively. The results show that the efficiency of the resonant switched capacitor dc-dc converter with auxiliary circuit is improved.

Key words: Switching capacitance; Auxiliary circuit; Resonance; Efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文所做的工作 3

第二章 开关电容DC-DC变换器与软开关技术 4

2.1开关电容DC-DC变换器工作原理 4

2.1.1 开关电容变换器的工作原理 4

2.1.2 开关电容变换器效率 5

2.2软开关技术 6

2.2.1零电压转换-PWM电路 7

2.2.2零电流转换-PWM电路 9

第三章 开关电容DC-DC变换器工作原理与设计 11

3.1 传统型开关电容DC-DC变换器工作原理及设计 11

3.1.1 变换器的工作状态分析 11

3.1.2 电路参数设计 13

3.2谐振型开关电容DC-DC变换器的工作原理及设计 13

3.2.1变换器的工作状态分析 14

3.2.2 电路参数设计 15

第四章 仿真验证与结果分析 17

4.1参数设计与仿真模型搭建 16

4.1.1传统型开关电容DC-DC变换器电路设计及模型搭建 16

4.1.2谐振型开关电容DC-DC变换器电路设计及模型搭建 18

4.2仿真验证与结果分析 20

4.2.1 变换器仿真波形 20

4.2.2 变换器工作特性分析 22

第五章 总结与展望 27

5.1全文总结 27

5.2展望 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1研究目的和意义

近年来，区块链技术、物联网、大数据等互联网科技迅速发展。这些科技再给人们生活带来便利和新奇体验的同时，支持其计算和存储的数据中心用电量也越来越大。据报告显示：“2018年全国的数据中心总用电量为1608.89亿干瓦时，比上海市2018年全社会用电量（1557亿干瓦时）还多，相当于三峡大坝的全年发电量。”可以看出，巨大的数据计算，消耗了许多能量。因此提高中国数据中心的效率，对数据中心的升级和能源可持续发展具有重要意义。为了解决能耗问题，许多IT行业巨头都在供电高效率这方面进行研究，并提出了各种优化方案。如谷歌曾提出了一种48 V-bus电源架构。其电源单元是由AC-DC加DC-DC变换器组成，它将电网电压转换到中间母线电压，并提供给服务器主板。而对于每个服务器主板，都有一个两级电压调节器(VR)来产生一个1V的电源来支持负载点。这个体系结构的优点是使总线损耗显著降低和消除在线UPS及相关电缆。而在这个体系结构中，要实现48V到1V的调压，得通过大变比降压变换器实现。传统的直流变换器通常含有较大的磁性元件，会导致变换器体积过大和功率损耗。若要实现大变比转换，则其转换效率会降低，满足不了供电高效率的要求。而谐振型开关电容变换器仅含少量磁性元件，可以设计出体积较小的变换器。而由其组成的大变比降压变换器不仅体积小，效率也得到了保证。相比于传统变换器，其优势更加突出。

除了数据中心的供电应用，分布式能源发电也在迅速发展。分布式能源由于其与电网的相对独立性，使得其建站灵活性高，可靠性高，能够贴近高负荷地区，同时设备投资小，使用的是无污染的清洁能源。如今许多新能源投入电网的发电量已经在不断上升，风电，光电，核电等各类型新能源都在全国各地建站发电。而在新能源发电设备投入并网时，有一个问题是当新能源的输出电压电流变换到电网电压时，由于使用变换器效率的低下，会导致一部分能源白白流失。例如燃料电池发电，若要将燃料电池的输出低电压转换成直流高压，需要具有大变比升压能力的变换器。传统斩波电路虽然能够实现升压，但在大变比升压情况下，其转换效率也会显著降低，同时转换电压波形也会分散不稳定，会影响电网系统的稳定。因此高效率高功率的直流变换器在新能源利用中一直受到关注与研究。而在研究中有提出用谐振型开关电路组成的大变比变换器，该电路不仅能够实现大变比升压、还具有电流纹波小、转换效率高、有快速的动态响应等特点，能够将燃料电池的能量高效率输入电网中，减小能量流失，符合经济性发展。