臺灣博碩士論文加值系統

本論文使用二台SRC半橋串聯諧振式電源轉換器 (Half-Bridge Type Series Resonant Converter)，並搭配 1+1 備援式 (Redundancy) 電源架構設計，達成高效率、高可靠度的設計需求，使其符合在現今廣大的伺服器市場應用。另外在輸入功率因數的改善上，利用內建之主動式昇壓式功因修正電路並將其調整在電流連續模式 (Continue Current Mode)，使其能達到高功因低電流諧波之要求。

其半橋串聯諧振式轉換器在適當的諧振電路的設計與切換頻率調變下，可達成初級側功率開關零電壓切換、次級側功率開關零電流切換的特點，以降低功率開關的切換損失。另外論文中探討利用簡單及高可靠度的電壓下降法 (Droop Method) 達成備援式架構實現，對於電壓下降法常見的並聯均流準確度較低的問題，提出可規劃壓降法之改善方案，使其符合業界常見規格之需求。

關鍵字：SRC / LLC半橋串聯諧振轉換器、備援式電源、零電壓/零電流切換技術、電壓下降法。

This thesis presents an application of 1+1 redundant power supply by using a SRC series type resonant converter for Server system. For the improvement of input power factor (PF), the configuration circuit consists of boost converter for Power Factor Correction (PFC) and operating in Continuous Current Mode (CCM) to achieve a high power factor and low input current harmonic requirement.

A half-bridge type of SRC series resonant converter provides a Zero Voltage Switching (ZVS) feature for primary side MOSFET, and Zero Current Switching (ZVS) feature for secondary side rectifiers then reduce switching losses. With the specified resonant tank and component design, the circuit can be achieving a high efficiency converter as its advantage of this topology.

Furthermore, this paper provides a simply voltage droop method to implement redundant performance of power supply. For the accuracy concern of Current-sharing for Droop method, it’s presenting an improvement idea of Programmable Voltage Droop method to meet common requirement for Server teams.

Keywords: SRC / LLC half-bridge type series resonant converter, Redundant power supply, Zero Voltage Switching / Zero Current Switching technique, Programmable Voltage Droop Method.

目錄
章節 頁次
論文摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
圖表索引 XI

章節 頁次
第一章、 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 研究方法 5
1.3 內容大綱 7
第二章、 系統架構圖及SRC / LLC串聯諧振轉換器原理說明 9
2.1 系統架構圖說明 9
2.2 功率因數校正架構說明 10
2.3 返馳轉換器架構說明 14
2.4 返馳轉換器原理說明 15
2.5 返馳轉換器功率開關Q1導通/截止動作分析 16
2.6 返馳式轉換器連續動作模式及不連續動作模式 17
2.7 SRC/LLC串聯諧振架構原理說明 19
2.8 SRC串聯諧振架構原理說明 20
2.9 LLC串聯諧振架構原理說明 22
第三章、 SRC / LLC 半橋串聯諧振轉換器動作分析 26
3.1 可實現軟切換之串聯諧振架構變化說明 26
3.2 SRC / LLC串聯諧振架構直流特性分析 29
3.3 SRC / LLC串聯諧振轉換器在Region-1之動作分析 31
3.4 SRC / LLC串聯諧振轉換器在Region-2之動作分析 38
3.5 SRC / LLC串聯諧振轉換器之同步整流架構實現及設計 47
第四章、 備援式架構的理論與介紹 52
4.1 備援架構概念說明 52
4.2 N + 1備援系統架構設計 53
4.3 1+N備援系統架構設計 54
4.4 N + n備援系統架構設計 55
4.5 熱插拔技術原理 56
4.6 熱插拔實務設計技巧 58
4.7 輸出均流控制原理 59
第五章、 電壓下降法及可規劃壓降法的備援策略 62
5.1 主動式均流法 62
5.2 電壓下降法 (Droop method) 64
5.3 轉換器內部壓降法 66
5.4 外加電阻壓降法 67
5.5 可規劃壓降法 67
5.6 可規劃壓降法的並聯策略研究 69
5.7 不同的V/I特性曲線之分析 70
5.8 決定輸出電壓調整範圍及V/I特性曲線 72
第六章、 實驗數據與實驗結果 75
6.1 升壓型功率因數校正線路(PFC)效能量測 75
6.2 SRC半橋諧振轉換器波形量測 77
6.3 輸出V/I特性曲線波形量測 78
6.4 兩台並聯均流波形量測 79
6.5 熱插拔波形量測 81
6.6 升壓型功率因數修正器效率量測 83
6.7 SRC半橋諧振轉換器效率分析 84
6.8 整機效率分析 84
第七章、 總結與未來展望 86
7.1 總結 86
7.2 未來展望 87
參考文獻 89
作者簡介 91

圖目錄
圖表名稱 頁次
圖1-1 雲端運算應用情境示意圖 1
圖1-2 中央式電源系統示意圖 2
圖1-3 分散式電源系統示意圖 3
圖1-4 分散式並聯電源系統示意圖 4
圖2-1 整機電源系統架構圖 (單台) 9
圖2-2 整機電源系統架構圖 (二台並聯) 10
圖2-3 加入橋式整流器和濾波電容後直流電壓和電流關係波形 11
圖2-4 加入電感的被動式功率校正器 12
圖2-5 升壓式功率校正器示意圖 12
圖2-6 加入主動式功率校正器後直流電壓和電流關係波形 13
圖2-7 升降壓轉換器和返馳式轉換器的線路轉換圖 15
圖2-8 返馳式轉換器線路架構及相關波形動作圖 16
圖2-9 連續電流模式及不連續電流模式波形圖 18
圖2-10 串聯諧振轉換器之動作區間圖 19
圖2-11 SRC串聯諧振轉換器線路架構圖 20
圖2-12 LLC串聯諧振轉換器線路架構圖 23
圖2-13 LLC串聯諧振轉換器頻率響應圖 24
圖3-1 SRC / PRC並聯諧振轉換器線路架構圖 27
圖3-2 SPRC串並聯諧振轉換器線路架構圖 28
圖3-3 LCC諧振槽和LLC諧振槽架構比較圖 28
圖3-4 LLC諧振電路之 R-L-C簡化模型圖 29
圖3-5 SRC / LLC半橋串聯諧振轉換器在Region-1的電路架構 32
圖3-6 (t0 - t1) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 33
圖3-7 (t0 - t1)能量傳送區間之等效電路 33
圖3-8 (t1 - t2) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 34
圖3-9 (t1 - t2)第一次諧振區間之等效電路 34
圖3-10 (t2 – t3) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 35
圖3-11 (t2 – t3)第一次換向區間之等效電路 35
圖3-12 (t3 – t4) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 36
圖3-13 (t3 – t4)第二次能量傳遞區間之等效電路 36
圖3-14 (t4 – t5) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 37
圖3-15 (t4 – t5)第一次換向區間之等效電路 37
圖3-16 (t5 – t6) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 38
圖3-17 (t5 – t6)第二次換向區間之等效電路 38
圖3-18 SRC / LLC半橋串聯諧振轉換器在Region-2的電路架構 39
圖3-19 (t0 - t1) Region-2半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 41
圖3-20 (t0 - t1)能量傳送區間之等效電路 41
圖3-21 (t1 - t2) Region-2半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 42
圖3-22 (t1 - t2)第一次諧振區間之等效電路 42
圖3-23 (t2 – t3) Region-2半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 43
圖3-24 (t2 – t3)第一次換向區間之等效電路 43
圖3-25 (t3 – t4) Region-1半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 44
圖3-26 (t3 – t4)第二次能量傳遞區間之等效電路 44
圖3-27 (t4 – t5) Region-2半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 45
圖3-28 (t4 – t5)第一次換向區間之等效電路 45
圖3-29 (t5 – t6) Region-2半橋串聯諧振轉換器之操作時序圖 46
圖3-30 (t5 – t6)第二次換向區間之等效電路 46
圖3-31 使用同步整流技術的串聯諧振轉換器 47
圖3-32 LLC諧振電路在零電壓時序使用輸出整流二極體示意圖 48
圖3-33 LLC諧振電路加入同步整流架構示意圖 49
圖3-34 LLC諧振電路使用同步整流時，二次側電流反灌一次側示意圖 49
圖3-35 LLC同步整流控制機制示意圖 50
圖3-36 LLC諧振電路在零電壓區間使用同步整流示意圖 50
圖3-37 LLC諧振電路使用同步整流時，防止二次側能量反灌示意圖 51
圖4-1 伺服器備援式架構圖 53
圖4-2 N+1備援式架構圖 53
圖4-3 1+N備援式架構圖 54
圖4-4 N+n備援式架構圖 55
圖4-5 N+n備援式架構圖(軟體偵測架構) 56
圖4-6 輸出湧浪電流示意圖 57
圖4-7 熱插拔二極體示意圖 57
圖4-8 熱插拔 MOSFET 示意圖 58
圖4-9 直流轉換器輸出特性 59
圖4-10 二台直流轉換器輸出特性 60
圖5-1 目前電流均流方式 62
圖5-2 主動式均流法控制圖 63
圖5-3 電壓下降法控制圖 65
圖5- 4 轉換器內部壓降法 V-I 曲線示意圖 66
圖5- 5 外加電阻壓降法系統示意圖 67
圖5- 6 可規劃壓降法 系統示意圖 68
圖5- 7 可規劃壓降法 V-I 曲線變化示意圖 69
圖5- 8 不同輸出阻抗電壓之 V-I 曲線示意圖 70
圖5- 9 不同起始電壓及斜率 V-I 曲線示意圖 71
圖5-10 相同起始電壓及不同斜率 V-I 曲線比較圖 72
圖5-11 並聯系統輸出阻抗示意圖 73
圖5-12 電壓調整過後之 V-I 曲線示意圖 74
圖 6 1 PFC架構之功率晶體在輸出輕載時的切換波形 76
圖 6 2 PFC架構之功率晶體在輸出重載時的切換波形 76
圖 6 3 SRC區間的工作波形圖 (輸出輕載的條件) 77
圖 6 4 SRC區間的工作波形圖 (輸出重載的條件) 78
圖 6 5 輸出V/I特性曲線電壓/電流統計圖 78
圖 6 6 二台電源模組的並聯波形圖 (輸出20%負載條件) 79
圖 6 7 二台電源模組的並聯波形圖 (輸出50%負載條件) 80
圖 6 8 二台電源模組的並聯波形圖 (輸出100%負載條件) 80
圖 6 9 整機的電流調整率曲線圖 81
圖 6 10 20%負載條件時的熱插拔測試電流波形 82
圖 6 11 50%負載條件時的熱插拔測試電流波形 82
圖 6-12 100%負載條件時的熱插拔測試電流波形 83

圖表索引
圖表名稱 頁次
表6 1 整機的電流調整率整理表 81
表6 2 升壓型功率因數修正器效率分析 84
表6 3 LLC半橋諧振轉換器效率量測表 84
表6 4 240W整機測試效率量測表 85

參考文獻

[1]行政院 四大智慧型產業網頁專區 雲端運算應用簡介。
[2] 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。
[3]王智弘，「AC/DC電源晶片改朝換代」，新電子科技雜誌251期，民國96年2月。
[4]簡銘德，「700W備援式伺服器系統電源供應器之製作」，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國98年。
[5]黃偉銓，「具前級功因調整器之半橋LLC諧振式電源轉換器研製」，大同大學電機工程系研究所碩士論文，民國98年。
[6]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95年。
[7]徐維利，「同步整流式LLC串聯半橋諧振轉換器之研製」，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國95年。
[8]黃偉明，「直流電源轉換器並聯之電流分配控制」，國立成功大學電機工程學系研究所 碩士論文，民國96年。
[9]候文傑，「並聯直流電源供應器自動主僕均流技術之研究」，國立成功大學電機工程學系研究所 碩士論文，民國93年。
[10]曾瑋辰，「具備援及熱插拔功能之多模組並聯均流LLC諧振轉換器之研製」，建國科技大學電機工程系研究所 第三十一屆電力工程研討會，民國99年。
[11]謝士弘，「LLC半橋串聯諧振式轉換器之設計考量與研製」，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國96年。
[12]莊棋揚，「變動輸入電壓之半橋串聯諧振轉換器研製」，國立台灣科技大學電子工程系研究所碩士論文，民國98年。
[13]Hangseok Choi, “ LLC 諧振變換器的設計要素”, FAIRCHILD semiconductor, 2007.
[14]緯穎科技官網, 雲端產品專區.
[15]DIGITIME Research 2013年台廠伺服器相關營收將可突破新台幣3,000億元，完整解決方案為下階段競爭關鍵 簡佩萍
[16]DIGITIME Research伺服器市場概況 李立達
[17]Energy Star, 2015: http://www.energystar.gov/
[18]Bo Yang, Fred C Lee, Dushan Boroyevich, Jason Lai, Guo-Quan Lu and Alex Q Huang. Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power System. September 12 2003.
[19]International Rectifier, “IR1167ASPbF, IR1167BSPbF Smart Rectifier control IC,” Data Sheet and application note AN-1087, November 6 2013.
[20]B. Yang, F. C. Lee, A. J. Zhang, and G. S. Huang, “LLC Resonant Converter for Front End DC/DC Conversion,” IEEE APEC, pp. 1108-1112, 2002.
[21]Texas Instruments, “TPS2914 N+1 and ORing Power Rail Controller with Enable,” Data Sheet, 2010.
[22]Texas Instruments, “UCC39002 Load-Share Controller,” Data Sheet, 2002.
[23]Champion, “CM6901 SLS controller with 1 FM+ 2 PWMs,” Data Sheet, 2014.
[24]FAIRCHILD semiconductor, “Analysis of MOSFET failure mode in LLC resonant converter”, AN-9067, 2009.
[25]Texas Instruments Incorporated, “UC3854 High Power Factor Pre-regulator” 1999.