三种服务器电源系统的比较分析

第26卷第13期中国电机工程学报Vol.26No.13Jul.20062006年7月ProceedingsoftheCSEE©2006Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2006)13-0068-06中图分类号：TM910文献标识码：A学科分类号：470⋅40三种服务器电源系统的比较分析李冬,阮新波（南京航空航天大学,江苏省南京市210016）ComparisonofThreeServerPowerSupplySystemLIDong,RUANXin-bo(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,JiangsuProvince,China)ABSTRACT:Serverpowersupplywithuniversalinputiscomposedofpowerfactorcorrection(PFC)stageandDC-DCstage.ThelossofthePFCstageislargeatlowlinewhenbusvoltageisregulatedat380V.Variablebusvoltage(200V-400V)isproposedtoimprovetheefficiencyofPFCstageatlowline.Thenthehybridfull-bridgethree-level(HFBTL)converterisusedastheDC-DCstageforthewideinputvoltagerange.Themeritsofthisconverterarelowvoltagestressofpowersemiconductor,smallcirculatingenergyandoutputfilterinductor.Thefeaturesofproposedpowersupplysystemarecomparedwiththeconventionalconstantbusvoltagesystem.Theprototypesofthreepowersupplysystemarchitecturesarebuiltuptoverifytheanalysis.KEYWORDS:powerfactorcorrection;variablebusvoltage;threelevel;fullbridgeconverter摘要：全球输入电压范围的服务器电源系统由功率因数校正级(PFC)和DC-DC级组成。为了提高PFC级在低压输入时的效率，可以适当降低其输出电压。此时在整个输入电压范围内母线电压的变化较大，后级变换器的拓扑选择和设计就显得尤为重要。复合式全桥三电平变换器(HFBTL)的特点是功率器件电压应力低，环流能量少和输出滤波电感小，适用于宽输入电压范围。该文从器件应力，磁性元件尺寸和损耗分布三方面比较了传统的移相控制全桥变换器(PSFB)和HFBTL变换器。并与PFC级变换器组合，构成三种服务器电源的整机方案。最后研制三台原理样机，对三种整机方案均进行了实验比较。关键词：功率因数校正；变母线电压；三电平；全桥变换器0引言未来服务器电源的设计标准是服务器系统架构基金项目：国家自然科学基金项目(50177013)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50177013).(SSI)标准，该标准要求电源的输入范围是90-265Vrms，同时具有功率因数校正功能，以保证输入电流谐波满足国际标准，如EN61000-3-2。该电源系统分为两级，前级为PFC级，目的是减小输入电流谐波和输出基本稳定的直流电压，如380V。后级是DC-DC级，将380V变换到12V。PFC级一般采用Boost变换器。低压输入时，PFC级的损耗主要分布在整流桥的导通损耗和开关管的导通损耗，导致整个电源系统效率不高[1]。文献[2-3]提出的软开关方法可以提高Boost变换器的效率，但其主电路或控制上比较复杂。文献[4-5]提出采用输出电压可变控制方式减小Boost变换器的损耗。低压输入时，降低输出电压可以减小开关管的占空比，从而减小开关管的导通损耗。控制输出电压始终高于输入电压的峰值以保证较高的输入功率因数。这样在整个输入范围内输出电压将在200V~400V之间变化，后级变换器的拓扑选择和设计就直接影响到整个电源系统的性能。如果PFC级输出电压保持在380V左右，DC-DC级常用的拓扑是全桥变换器。当PFC级输出电压在200V-400V变化时，虽然全桥变换器在移相控制方式下可保证在较宽的输入电压内实现开关管的零电压开关。但是高压输入时有效占空比会很小，原边存在较大的环流能量。整流后的变压器副边电压含有较高的交流分量，需要较大的滤波电感。三电平直流变换器可减小原边开关管的电压和电流应力[6]。文献[7]提出一种适用于宽输入电压和负载变化的半桥式三电平变换器，但是它需要控制原副边开关管之间的相位。复合式全桥三电平(hybridfull-bridgethree-level,HFBTL)变换器结构简单，环流能量少和输出滤波电感小。特别适合应PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期李冬等：三种服务器电源系统的比较分析69用在宽输入电压场合[8-14]。本文比较3种服务器电源的系统方案。第1节给出系统的输入输出参数和3种系统方案的组成。第2节分析变压器和滤波电感的尺寸。第3节分析3种系统中有源器件的电压应力和损耗分布。最后研制3台原理样机进行实验比较。13种系统方案图1~3分别给出PFC级变换器和DC-DC级变换器的拓扑。CouinLBQBDB+-UoCVB:Uo=380VVVB:Uo=200-400V图1PFCBoost变换器Fig.1TopologyofthePFCstageconverterFB1:Uin=360-400VFB2:Uin=200-400VQ1D1C1Q3Q4ABLripTr*DR2DR1LfCfRL**+-urectC3C4D4D3Q2D2C2Uin图2全桥变换器Fig.2TopologyoftheDC-DCstageconverterHFBTL:Uin=200-400VCin1Q1D1C1CssCin2D7D8UinQ5Q6Q2D2C2Q3D3C3Q4D4C4ABLripTr*DR2DR1LfCfRL**+-urectC5C6D6D5图3HFBTL变换器Fig.3TopologyofHFBTL系统输入参数：90~265V系统输出参数：12V/100A方案1：PFC级使用Boost变换器，输出电压380V(constantoutputvoltageBoostconverter,CVB)。DC-DC级使用全桥变换器，输入电压360~400V(Fullbridgeconverter1,FB1)。方案2：PFC级使用Boost变换器，输出电压200~400V(variableoutputvoltageBoostconverter,VVB)。DC-DC级使用全桥变换器，输入电压200~400V(Fullbridgeconverter2,FB2)。方案3：PFC级使用Boost变换器，输出电压200~400V(VVB)。DC-DC级使用复合式全桥三电平变换器，输入电压200~400V(HFBTL)。2磁性元件的分析2.1PFC级滤波电感分析根据电感两端伏秒积平衡，得到电感电流脉动()LfItΔ=,,_PFCo_PFCsinsin(1)gpkLgpkLsBUtUtTLUww-(1)式中：Ug,pk、ωL、LB、Uo_PFC、Ts_PFC分别是输入电压峰值、角频率、输入电感值、PFC级输出电压和开关周期。给定LB=180μH，根据式(1)可以计算出电感电流脉动的最大值5.4A，并以此为基准画出图4所示的标幺值曲线。低压输入时，一个工频周期内VVB方案的电感电流脉动明显低于CVB。因此MOSFET和二极管的电流有效值也可以减小，进一步降低其导通损耗。00.0040.008010020030000.40.8(a)CVB方案(Uo_PFC=380V)00.0040.008010020030000.40.8(b)VVB方案(Uo_PFC=1.14Uin_rms+97[5])t/s电流脉动/pu输入交流电压/V输入交流电压/V电流脉动/put/s图4Boost电感电流纹波Fig.4CurrentripplesofBoostinductor2.2DC-DC级变压器匝比设计考虑到占空比丢失，副边最大占空比sec_max0.8D=。副边最小电压是PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建卷()sec_minOLFsec_max/DUUUUD=++(2)式中Uo＝12V、ULF＝1V和UD＝0.7V分别是DC-DC级输出电压、滤波电感和整流二极管上的压降。变压器匝比表达式为_minsec_min/inKUU=(3)其中Uin_min是最小输入电压。表1给出了3种变换器的设计结果。表1原理样机参数Tab.1Theparametersofthreeprototypes整流二极管二极管开关管电感量/μH输出电容/μFPFC级参数VBO13-08NSDT12S60FQA24N50*2180680×2(450V)变压器磁芯滤波电感磁芯DC-DC级参数开关管整流二极管匝比尺寸磁芯面积/mm2尺寸磁芯面积/mm2FB1FQA24N50208CMQ06021EE42A235EE42A235FB2FQA24N50203CMQ10013EE42A235EE55354Q1-Q4IXTH30N25HFBTLQ5-Q6FQA24N50203CMQ10013EE42A235EE421822.3DC-DC级滤波电感分析2.3.1全桥变换器滤波电感设计一个开关周期内，滤波电感的续流时间(1-D)Ts/2，此时两端电压是Uo。得到滤波电感的表达式()ooo_FBin1(1)22ssfLfLfUTKUUTLDiUi=-⋅=-⋅ΔΔ(4)式中Uin、Ts＝10μs和ΔiLf＝20A分别是输入电压、开关周期和最大电感电流脉动。2.3.2复合式全桥三电平变换器滤波电感设计参考文献[8]，可推导出滤波电感量的表达式为()oinoloss_3inoin_HFBoloss_3oinooin2()(1)/2/2/222(1)/2LsLffLsLfsLfKUUUDKUTiLUUKLUDTLUUKiKUUTiLU⎧---⋅⎪⎪⎪⋅Δ3≥⎪⎪=⋅⋅⎨(3)⎪⋅Δ⎪⎪⋅-⋅⋅Δ(2)⎪⎪⎩模式，模式，模式(5)其中，三电平的占空比丢失loss_3o4/(LrDLIK⋅⋅⋅=in)sUT⋅。根据式(4)和(5)，可以得到3种方案中DC-DC级变换器输出滤波电感量随输入电压变化的曲线，如图5所示。图中可以看出，HFBTL的最大滤波200240280320360400输入电压/V00.40.81.21.62.0滤波电感量/μHLf_FB2Lf_FB1Lf_HFB图5输出滤波电感量Fig.5Thecurvesofthefilterinductance电感量是0.66μH，只有FB2变换器的36%，而且也小于FB1的1.11μH。3功率器件的电压应力和损耗分析3.1功率器件的电压应力PFC级的器件应力和损耗分析可参考文献[5]，本节主要分析DC-DC级的功率器件电压应力和损耗分布。全桥变换器中原边开关管的电压应力是最大输入电压。而HFBTL变换器中，三电平桥臂的开关管只承受一半输入电压，两电平桥臂的开关管仍然承受输入电压。FB和HFBTL变换器中整流二极管的电压应力分别是DR_FBin2/UUK=(6)inin2//DR_HFBUKUUK⎧⎪=⎨⎪⎩（三电平模式）(两电平模式)(7)图6给