臺灣博碩士論文加值系統

本論文針對1kW伺服電源供應器各種關鍵技術進行研究。由於安全性與可靠性的考量，採用三台並聯加上熱插拔功能的備援式電源。本論文設計並實現了交錯式的主動式功率因數修正器，使系統模組具有高效率、高功因的特性。 而後級採用同步整流全橋LLC串聯轉換器做為主要架構。而為了達到高可靠性的備援伺服電源系統，必須加上保護電路、自動主僕式均流控制電路、熱插拔機制。最後完成並測試一部1kW實驗機種伺服電源。

This thesis aims to study a redundant power supply technique for server system applications. Due to the safety and reliability considerations, three redundant power supplies with hot swap function are parallel-connected. In this thesis, an interleaved PFC technique is designed and implemented to achieve high efficiency and high power density. A full-bridge LLC series resonant converter with synchronous rectification output is used as the post-stage circuit. Automatic master-slave current sharing, hot swap and ORing control techniques are adopted to achieve high reliability of the studied redundant server power system. Finally, a 1kW laboratory prototype is implemented and tested to verify the studied scheme.

摘　要 I
Abstract II
目　錄 IV
圖索引 X
表索引 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 內容大綱 3
第二章 備援式伺服電源供應器簡介 5
2.1 伺服電源供應器架構介紹 5
2.2 並聯系統簡介 10
2.3 備援式伺服電源供應器啟動時序介紹 11
第三章 功率因數修正技術簡介與原理 14
3.1 功率因數修正電路 14
3.2 昇壓型功率因數修正器電路架構 16
3.3 功率因數修正器之控制方式 19
3.4 多相式升壓型轉換器介紹 24
3.4.1 雙相交錯式升壓型轉換器電路分析 26
3.5 雙相交錯式升壓型轉換器動作時序分析 30
第四章 全橋串聯諧振式轉換器原理與簡介 35
4.1 電壓切換與零電流切換 35
4.2 串聯諧振式轉換器 35
4.3 LLC串聯諧振式轉換器 37
4.4 全橋串聯諧振式轉換器 41
4.4.1 全橋同步整流串聯諧振式轉換器動作狀態分析 42
4.4.2 全橋LLC串聯諧振式轉換器於Region-2 49
4.5 串聯諧振轉換器之功率級電路分析 56
4.5.1 Q值大小對於轉移函數的影響 58
4.5.2 K值大小對轉移函數的影響 59
4.5.3 Cr與Lr的變化對增益函數的影響 60
第五章 同步整流應用於諧振電路 64
5.1 同步整流基本原理 64
5.2 同步整流應用於LLC 串聯諧振電路 65
5.3 同步整流技術之訊號控制 65
第六章 並聯均流架構原理與設計 67
6.1 並聯均流架構原理 67
6.2 自動主僕式原理及設計 68
6.2.1 自動主僕式均流法動作原理 69
6.2.2 自動主僕法均流電路實現與設計 71
6.2.3 自動主僕法均流參數設計 74
6.3 備援系統架構說明 75
6.3.1 熱插拔技術 75
6.3.2 ORing MOSFET控制 76
6.3.3 備援電源設計方法 77
7.4.1 理想條件下連續模式 81
7.4.2 理想條件下不連續模式 82
7.4.3 非理想條件下連續電流模式 83
7.4.4 非理想條件下不連續電流模式 83
第八章 電源轉換模組實例設計與考量 85
8.1 雙相交錯式升壓型功率因數修正器設計 85
8.1.1 儲能電感設計 86
8.1.2 輸出電容設計 88
8.1.3 功率開關選擇 88
8.1.4 比流器與取樣電阻設計 89
8.1.5 峰值電流限制設計 89
8.1.6 工作頻率與最大責任週期的選擇 90
8.1.7 輸出電壓回授設計 90
8.1.8 VINAC取樣設計 90
8.1.9 電壓迴路補償設計 91
8.1.10 電流迴路補償設計 92
8.1.11 軟啟動時間設計 94
8.1.12 抖頻設計 94
8.2 全橋LLC串聯諧振轉換器電路設計 94
8.2.1 切換元件選擇 94
8.2.2 LC諧振槽設計考量 95
8.2.3 輸出整流電路 97
8.2.4 變壓器設計 98
8.2.5 UCC25600設計 99
8.2.6 IR1167設計 101
8.3 輔助電源設計 103
8.3.1 耦合電感一次側繞組圈數的計算 103
8.3.2 耦合電感二次側繞組圈數的計算 104
第九章 實驗數據與實驗結果 106
9.1 功率修正器之波形與數據 106
9.2 全橋LLC串聯譜振式轉換器之波形與數據 109
9.3 輔助電源之波形與數據 111
9.4 規格驗証 114
9.4.1 輸出電壓漣波 114
9.4.2 均流特性 115
9.4.3 峰值突波電流 116
9.4.4 啟動時間 117
9.4.5 上升時間 118
9.4.6 保持時間 118
9.4.7 最大超越量 119
9.4.8 動態變載測試 120
9.4.9 規格總表 120
9.4.10 整機效率 121
9.5 實體電路完成之照片 122
第十章 總結與未來展望 124
10.1 總結 124
10.2 未來展望 125
參考文獻 126

[1] Climate Savers Computing Initiative, 2009 http://www.climatesaverscomputing.org/
[2]J. Dukdrik, P. Spanik, and N. D. Trip, “Zero-Voltage and Zero-Current Switching Full-Bridge DC-DC Converter With Auxiliary Transformer”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, NO. 5, pp.1328-1335, Sep., 2006.
[3]J. G. Cho, J. A. Sabate, and F. C. Lee, “Novel Full Bridge Zero-Voltage-Transition PWM DC/DC Converter for High Power Applications”, IEEE APEC, pp. 143-149, 1994.
[4]C. A. Canesin and I.Barbi, ”Novel Zero-Current-Switching PWM Converters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 44, number3, pp. 372-381, June 1997.
[5]F. T. Wakabayashi and C. A. Canesin, “A New Family of Zero-Current-Switching PWM Converters and A Novel HPF-ZCS-PWM Boost Rectifier”, IEEE APEC, vol. 1, pp. 605-611, March 1999.
[6]A. K. S. Bhat, “Analysis and Design of a Modified Series Resonant Converter,” IEEE Transactions on Power Electronics, pp. 423-430, 1993.
[7]J. P. Agrawal, K. siri, and C. Q. Lee, “Determination and Minimization of Cross Regulation in Multi-Output High Order SRC,” IEEE Circuits and Systems, vol. 1, pp. 692-695, 1990.
[8]F. S. Tsai and F. C. Lee. “A Complete DC Characterization of a Constant-Frequency, Clamped-Mode, Series Resonant Converter,” IEEE PESC, pp. 987-996, 1988.
[9]M. K. Kazimierczuk and S. Wong, “Frequency-Domain Analysis of Series Resonant Converter for Continuous Conduction Mode,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 6, pp.270-279, 1992.
[10]A. F. Hernandez, R. W. Erickson, S. Lofton, and P. Anderson, “A Large Signal Computer Model for the Series Resonant Converter,” IEEE PESC, pp. 737-744, 1991.
[11]顏上進，“串聯諧振轉換器輕載調制策略之研究”，國立台灣科技大學電子工程系研究所博士論文，民國九十五年。
[12]謝銘琮，“適合全載範圍操作之全橋相移式串聯諧振直流/直流轉換器研製”，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國九十六年。
[13]洪賢峯，“並聯伺服器電源供應器之研製”，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國九十七年。
[14] 劉宇晨，700 W雙組輸出備援式直流/直流轉換器研製，國立臺灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，2009年。
[15] 簡銘德，700 W備援式伺服系統電源供應器之研製，國立臺灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，2009年。
[16]Richard Lee Ozenbaugh, EMI Filter Design, Marcel Dekker, Inc. 1996.
[17]Abraham I. Pressman, “Switching Power Supply Design”, Second Edition, 1998, McGraw-Hill International.
[18]宋自恆、林慶仁，「功率因數修正器之原理與常用元件規格」，新電子科技雜誌217期，民國93年4月。
[19]曾軍皓，「高效能功率因數修正器研製」，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國95年。
[20]Chen Zhou, Active Boost Power Factor Analysis and Design, IBM Corporation, April 20, 1989.
[21]M. F. Schlecht and B. A. Miwa, “Active Power Factor Correction for Switching Power Supplies”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 1. PE-2, No. 4. October 1987.
[22]C.A. Canesin,and I Barbi., “Analysis and Design of Constant-Frequency Peak-Current-Controlled High-Power-Factor Boost Rectifier with Slope Compensation” , 1996. APEC '96., Vol. 2, pp. 807-813, March 1996.
[23]Texas Instruments Incorporated, “UC3854 High Power Factor Preregulator” 1999.
[24]M. K. Kazimierczuk and D. Czarkowski, “Resonant Power Converters, ” Wiley-Interscience Publication, ISBN:0-471-04706-6.
[25]S. C. Wong, A. D. Brown, Y. S. Lee, and S. W. Ng, “Parasitic Losses Modeling of a Series Resonant Converter Circuit,” IEEE Circuits and Systems, vol. 1, pp. 921-924, 1997.
[26]International Rectifier, “IR1167 Smart RectifierTM Control IC”, Datasheet, April 2006.
[27]梁適安 著，“交換式電源供應器之理論與實務設計”，民國83年，全華科技圖書。
[28]Texas Instruments, Inc, “UCC28070 300-W Interleaved PFC Pre-Regulator Design Review”, Data Sheet, SLUA479A-August 2008 -Revised August 2009.
[29] Texas Instruments, Inc, “8-Pin High-Performance Resonant Mode Controller”, Data Sheet, SLUS846–September 2008.