高功率密度稳压HSC 变换器

前述文章可知，AI服务器电源高压转低压的两种架构分析，占空比的降低使得数据中心电源在控制和效率方面会遇到限制，因此中间总线电压等级也必须相应降低。图 1为输入串联、输出并联（也称为 Σ 连接）高效转换器与稳压转换器之间的连接。

在这种情况下，IBC 可以在系统改进中发挥至关重要的作用。当输入电压变化范围较大时（最常见的是 40 V 至 60 V），VRM 必须设计成能够在这些特殊情况下运行，稳定的输出电压范围，因为 IBC 执行的是固定的转换,高效的稳压 IBC 可以缓解 VRM 的设计限制，并允许使用性能更好的低电压器件。上述架构对VRM更友好。

另一方面，新的 OCP 规范将在不久的将来将输入电压范围限制在 49 V 至 51 V 的窄范围内 ，这为利用较小的输入电压变化的部分功率架构铺平了道路。

高降压需求、宽输入变化范围下的半稳压或窄输入变化范围下的全稳压，这些场景可受益于Sigma IBC变换器。Sigma（或ISOP，输入-串联-输出-并联）转换器可以在保持高效率和高功率密度的同时实现输出稳压。

这些拓扑结构通常结合两个共享相同输入电流和相同输出电压的转换器，如图1所示：输入电压在两个输入端之间分配，并且整体效率可以根据高效率模块进行调整：

这是因为功率不必完全通过稳压的子转换器进行处理，因为稳压的子转换器的固有效率较低。另一方面，Sigma 转换器仅在狭窄的变换比范围内才能高效运行，这一因素限制了它们在上述情况下的应用。

为了验证高效稳压IBC的可行性，相关文献提出了一种新型Sigma拓扑结构，该结构能够从48V母线实现高降压比的稳压转换。该转换器还集成在一个功能齐全的8砖模块中。该转换器在高功率HSC和分相降压转换器之间实现了Sigma拓扑结构（ISOP：输入串联输出并联）。

这种结构无需使用隔离磁性元件，而是利用所谓的储能电容Cc1和Cc2来确保两个子转换器获得相同的平均电流。正如本节将要展示的，在一个开关周期内，每个储能电容首先沿HSC功率路径串联，然后作为降压转换器的电压源。稳态电荷平衡确保电荷变化为零，从而实现输入串联。子转换器的输出则并联，从而完成ISOP连接，输出可以稳压。

如图 2 所示，两个子变换器以 ISOP 方式连接。Q1 至 Q6 组成的组是一个高侧电容变换器 (HSC)，具有高降压能力和 高功率密度；Q7 至 Q9 组成的组是一个 带有两个高侧开关的降压变换器。高侧开关的分离是为了在正确的相位下交替地从 Cc1或 Cc2 汲取能量。在电感相位节点处，其行为与普通降压变换器相同，因此，分相降压变换器的行为与普通降压变换器完全相同。

HSC 变换器具有 PWM 信号 ΦA 和 ΦB，以固定频率和固定占空比运行。MOSFET Q1 至 Q6 由于变压器的励磁电感实现了准零电流开关 (ZCS) 和零电压开关 (ZVS)。降压变换器与 HSC 变换器同步，因为每个高侧开关都从其储能电容汲取功率，例如，当 ΦB 开通时，ΦHS1 开通。以上是此ISOP电源的基本理解。

注：参考于文献High density Hybrid Switched Capacitor Sigma Converter for Data Center Applications。