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在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，隨著GPT等前沿技術(shù)的快速發(fā)展，電力消耗呈現(xiàn)出前所未有的增長趨勢。自2022年起，小型數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器規(guī)模已擴(kuò)大至500至2000臺，其用電量可能高達(dá)5兆瓦。

而大型數(shù)據(jù)中心更是擁有數(shù)萬臺服務(wù)器，電力需求介于20兆瓦至100兆瓦之間，能耗規(guī)模幾乎與一座中型城市相當(dāng)，這一趨勢極為顯著且引人深思。

這一系列變化無疑對相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。從能源供應(yīng)層面來看，發(fā)展新能源及核電產(chǎn)業(yè)將成為解決能源供應(yīng)問題的有效策略。在中國，無論是新能源產(chǎn)業(yè)，還是沿海地區(qū)的小型核電站的建設(shè)，都已取得了顯著成就。

此外，電動汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對高續(xù)駛里程和快速充電的明確需求，進(jìn)一步加劇了電力需求包括相關(guān)功率變換裝置的大容量化的發(fā)展趨勢，給功率變換裝置，包括裝置內(nèi)的磁性元件提出新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為此，Big-Bit資訊特別邀請了磁技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、南京航空航天大學(xué)的陳乾宏教授，結(jié)合其在學(xué)術(shù)年會上的公開演講內(nèi)容，深入探討功率變換技術(shù)與磁性元件在應(yīng)對大數(shù)據(jù)及新能源挑戰(zhàn)中的創(chuàng)新與發(fā)展趨勢，旨在為行業(yè)提供有價值的見解與指導(dǎo)。

磁技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、南京航空航天大學(xué)陳乾宏教授

01.新時代背景下功率變換技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)中心作為技術(shù)高速發(fā)展的典型案例，可以相當(dāng)程度反映新時代背景下功率變換技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

如今，傳統(tǒng)機(jī)架的電源功率需求已然大幅提升，從以往較為常規(guī)的水平躍升至 21kW 至 40kW，按照這一發(fā)展勢頭，未來甚至突破100kW 的高位;

與此同時，單片 CPU 的功耗持續(xù)上揚(yáng)，從 750W、800W 一路攀升至 1000W，單芯片電流呈現(xiàn)急劇增長態(tài)勢，最大電流超過1000A，且動態(tài)電流變化率愈發(fā)苛刻(可達(dá)到1200A/uS)，這無疑給整個供電系統(tǒng)帶來了巨大壓力。

02.數(shù)據(jù)中心電力進(jìn)階之路：多維度供電革新

在數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展進(jìn)程中，電力需求的急劇攀升使得高壓問題日益凸顯，機(jī)架電源輸入電壓與功率需求的不斷提升給功率變換技術(shù)帶來了前所未有的嚴(yán)峻考驗。

(1)供電側(cè)，從單相——三相，從低壓交流——高壓交流

早期數(shù)據(jù)中心多采用單相供電，但隨著規(guī)模與功耗的迅猛增長，三相供電逐漸成為主流。這一轉(zhuǎn)變極大地增強(qiáng)了電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性與效率，但要求后級DC/DC變換能夠適應(yīng)三相PFC整流得到的高壓直流母線。

目前國內(nèi)采用380V線電壓，美國為480V線電壓，經(jīng)三相功率因數(shù)校正后的直流母線電壓可達(dá)到1000Vdc?？紤]電能需求的激增，未來交流供電甚至?xí)?00V，直流母線電壓會超過1200Vdc，對后級DC/DC變換器的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

(2)容量擴(kuò)展：從單通道——多通道

為了適應(yīng)大容量的擴(kuò)展需求，電源內(nèi)部的架構(gòu)也從單通道向多通道并聯(lián)或者組合來實現(xiàn)。多通道的電源架構(gòu)，能夠支撐數(shù)據(jù)中心日益增長的功率需求，靈活適配不同規(guī)模的機(jī)柜與服務(wù)器集群，輕松應(yīng)對容量的爆發(fā)式增長，確保擴(kuò)容后的穩(wěn)定供電，為業(yè)務(wù)拓展筑牢根基。

(3)低壓直流母線：從12V——48V

低壓直流母線的變革同樣引人注目，從傳統(tǒng)的 12V 提升至 48V。更高的電壓意味著更低的電流，從而降低線路損耗，減少散熱壓力，提升了能源利用效率，為數(shù)據(jù)中心 “節(jié)流”。這使得設(shè)備運行更加可靠，運維成本顯著降低。

(4)芯片供電：從水平供電——垂直供電

在芯片供電層面，水平供電曾是標(biāo)配，但隨著芯片性能進(jìn)階，垂直供電嶄露頭角。它縮短了供電路徑，降低了電感，減少供電延遲，讓芯片得以在高頻狀態(tài)下穩(wěn)定運行，為數(shù)據(jù)中心的算力飛躍提供有力支撐。

03.堆疊半橋電路拓?fù)涑鰮?破解高壓難題

盡管供電側(cè)的變革在一定程度上緩解了數(shù)據(jù)中心的電力壓力，但高壓問題依然是關(guān)鍵難點之一，而堆疊半橋電路拓?fù)?/a>或全橋電路拓?fù)渥鳛橐环N三電平電路拓?fù)?，在高壓大變比場景下憑借自身獨特優(yōu)勢備受關(guān)注，成為行業(yè)研究的焦點之一。

(1)堆疊半橋電路拓?fù)湓砼c優(yōu)勢

堆疊半橋電路拓?fù)?/a>利用輸入端大電容實現(xiàn)均壓，電路拓?fù)渚哂辛己玫膶ΨQ性，無需預(yù)充電即可有效解決動態(tài)均壓問題。

堆疊半橋電路拓?fù)?/span>

在控制方式上，堆疊半橋電路拓?fù)渲饕袃煞N策略。其一，Q1 管和 Q2 管互補(bǔ)導(dǎo)通，當(dāng) Q1 和 Q4 導(dǎo)通時，輸入電壓 Vin 減去 Cr 上的電壓施加于變壓器，此時輸入激波較高;

其二，采用類似半橋電路拓?fù)浠蛉娖诫娐吠負(fù)涞目刂品绞?，通過調(diào)整導(dǎo)通組合實現(xiàn)不同供電模式，使電路拓?fù)淠茉谌珮蚺c半橋工作方式間靈活轉(zhuǎn)換，適應(yīng)更寬的電壓范圍。由于大變比已通過隔直電容降壓處理，該電路拓?fù)涮貏e適用于大變比應(yīng)用場景。

總體而言，堆疊半橋電路拓?fù)渑c LLC 具有良好的繼承性，其動態(tài)性能和開機(jī)狀態(tài)相較于傳統(tǒng)三電平變換器有顯著提升。此外，堆疊半橋電路拓?fù)溥€可進(jìn)行相數(shù)和電平數(shù)擴(kuò)展，進(jìn)一步增強(qiáng)了應(yīng)用的靈活性與廣泛性，為高壓環(huán)境下的功率變換提供了可靠的解決方案。

(2)堆疊半橋電路拓?fù)湫阅芰炕c對比分析

通過對堆疊 LLC 變換器設(shè)計的性能量化分析可知，設(shè)計時首要考慮基本軟開關(guān)需求，并據(jù)此對勵磁電感進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)與分析。在相同輸入輸出條件下，與雙邊平衡電路相比，堆疊半橋電路拓?fù)涞脑驯却嬖诓町?，?dǎo)致一次側(cè)感抗值不同。

堆疊半橋電路拓?fù)漭斎敫锌怪?Zin 相對較小，電流值也相應(yīng)減小，這使其在效率上相較于傳統(tǒng)兩電平變換器具有明顯優(yōu)勢。盡管匝比減小可能帶來某些參數(shù)變化，但電流未增倍，仍能保持較高效率。

堆疊半橋電路拓?fù)渥儔浩黧w積評估

在尺寸方面，相同輸出電壓 Vo 條件下，堆疊半橋電路拓?fù)涞恼w尺寸和功率密度相較于兩電平 LLC 電路也具有優(yōu)勢。

可見，堆疊 LLC 變換器在高壓場合性能卓越，在效率和尺寸方面表現(xiàn)突出，為磁性元件行業(yè)和電路技術(shù)發(fā)展注入了新活力，有力推動了相關(guān)技術(shù)在數(shù)據(jù)中心等高壓應(yīng)用場景中的應(yīng)用與發(fā)展。

在高壓難題上，堆疊半橋電路拓?fù)浣o出了有力的應(yīng)對之策，但數(shù)據(jù)中心的復(fù)雜性使得其他方面的挑戰(zhàn)依然存在，比如高動態(tài)電流的應(yīng)對就是接下來需要重點關(guān)注的問題。

04.TLVR電路拓?fù)涞菆?馴服高動態(tài)電流的利器

面對高動態(tài)電流的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，行業(yè)內(nèi)創(chuàng)新性地推出了 TLVR電路拓?fù)浞桨浮?/p>

(1)TLVR電路拓?fù)涞募夹g(shù)原理

TLVR電路拓?fù)浣鉀Q方案將多相 BUCK 電路拓?fù)渑c耦合電感相結(jié)合，其中陳為老師最早提出的 TLVR電路拓?fù)鋺?yīng)用方案，旨在應(yīng)對極高的動態(tài)電流需求。多相交錯技術(shù)自然引導(dǎo)采用耦合電感，既能減小元件尺寸，又可改善濾波效果，從而提升電路整體性能。

在交錯并聯(lián)情境下，耦合方式的選擇至關(guān)重要。電流方向相同時，同向耦合為優(yōu)選;交錯并聯(lián)時，反向耦合能更有效地減小動態(tài)電感、增大穩(wěn)態(tài)電感，對應(yīng)對負(fù)載突變時的動態(tài)電流需求尤為關(guān)鍵。

(2)動態(tài)性能優(yōu)化策略與實踐

面對負(fù)載突變帶來的高動態(tài)電流，TLVR電路拓?fù)浠蝰詈想姼性O(shè)計需優(yōu)化性能。動態(tài)條件下，交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用反向耦合更適宜，且可通過調(diào)整多路電路拓?fù)湎鄶?shù)關(guān)系進(jìn)一步優(yōu)化。

具體而言，確定電感集成方式后，改變相數(shù)關(guān)系可使磁場疊加產(chǎn)生反向效果，減小等效電感，提升動態(tài)電流變化率。

為解決多路電路拓?fù)洳季志窒?，TLVR電路拓?fù)鋭?chuàng)造性地引入第三繞組作為公共電流媒介。第三繞組在減小動態(tài)電感方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，是提升拉載率或 DIDT 性能的核心。通過利用這一中介，工程師能更有效地管理TLVR電路拓?fù)鋭討B(tài)變化，優(yōu)化整體性能。

英飛凌多相TLVR電路拓?fù)?/span>

英飛凌的多相 TLVR電路拓?fù)?/a>在第三繞組基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)新，在繞組中間加入補(bǔ)償電感 Lc。穩(wěn)態(tài)時可減少不必要電流流動，動態(tài)變化時利用該結(jié)構(gòu)電流通訊，顯著減小動態(tài)電感，提高效率并增強(qiáng)電路響應(yīng)速度。

多相TLVR電路拓?fù)渚哂卸嘞囔`活性，相耦合均勻、系數(shù)可調(diào)、設(shè)計便捷，可消除高值輸出電容器，節(jié)省空間和成本，便于布局等優(yōu)點。在動態(tài)突變時優(yōu)勢顯著，為滿足數(shù)據(jù)中心高動態(tài)電流需求提供了有效途徑。

基本TLVR電路拓?fù)?/span>

在實現(xiàn) TLVR電路拓?fù)溥^程中，方法多樣。有的方案采用分立電感，通過第三繞組直接關(guān)聯(lián);有的則將相關(guān)元件整合至一個磁元件上引出。

在大電流應(yīng)用場景中，繞組設(shè)計至關(guān)重要。傳統(tǒng)鐵包銅結(jié)構(gòu)可能需調(diào)整，如彎曲或采用特殊工藝使磁心與銅導(dǎo)線緊密結(jié)合，以提升性能。

TLVR電路拓?fù)浞桨冈趹?yīng)對數(shù)據(jù)中心高動態(tài)響應(yīng)方面成效顯著，成為了行業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新典范。然而，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展對技術(shù)提出了多維度的要求，在追求高功率密度的道路上，HSC 電路脫穎而出，成為技術(shù)創(chuàng)新的焦點所在。

05.聚焦大降壓比高功率密度戰(zhàn)場 HSC電路拓?fù)涫懿毮?/strong>

在談及數(shù)據(jù)中心電源供應(yīng)單元(PSU)的常規(guī)方案時，高頻 LLC 電路拓?fù)渑c GaN 器件的結(jié)合無疑占據(jù)著主流地位，在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的性能表現(xiàn)，有力地保障了數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)。

與此同時，HSC 電路拓?fù)湟苍跀?shù)據(jù)中心 PSU 領(lǐng)域異軍突起，成為實現(xiàn)高功率密度目標(biāo)的重要方案之一，備受行業(yè)關(guān)注。

HSC電路拓?fù)湓谔囟l件下表現(xiàn)出色，尤其在直流(DC)轉(zhuǎn)換方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能，但在調(diào)寬應(yīng)用方面則存在一定的局限性。凌特公司的LTC 7821作為早期推出的優(yōu)秀產(chǎn)品，其采用了復(fù)用管的設(shè)計理念，引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展。

追溯HSC電路拓?fù)涞难葑儯?005年創(chuàng)新性地將開關(guān)電容與Buck變換器相結(jié)合，形成了新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

通過重新繪制和整理這一電路拓?fù)?，我們可以清晰地看到，其中Q1和QSW是互補(bǔ)的。同時，開關(guān)電容被巧妙地拉至輸出端，形成了完整的電路拓?fù)湫螒B(tài)。該電路拓?fù)渑c全波整流電路拓?fù)湓诮Y(jié)構(gòu)上存在天然的相似性，為后續(xù)研究提供了重要啟示。

在此基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步擴(kuò)展電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過在左邊構(gòu)造一個橋壁，并在右邊以對稱的方式再構(gòu)造一個橋壁，我們可以得到更加復(fù)雜的電路拓?fù)湫螒B(tài)。這一電路拓?fù)湫螒B(tài)在2006年由一位韓國教授提出，并成為了現(xiàn)在廣泛使用的HSC電路拓?fù)涞碾r形。

在HSC電路拓?fù)?/a>中，開關(guān)電容器起到儲能和提供電源的作用，而下面的兩個部分則類似于兩個Buck變換器或整流電路。通過耦合電感等創(chuàng)新設(shè)計，電路拓?fù)湫阅艿玫斤@著提升。

J·A·Cobos教授在2020年提出了一個創(chuàng)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將輸出整流部分與輸入部分直接整合，使得部分電流可以直接從輸入側(cè)傳遞到輸出側(cè)，而無需經(jīng)過磁元件。這一結(jié)構(gòu)類似于自耦變壓器式的飛跨電容電路拓?fù)?。并在此基礎(chǔ)上增加了兩個繞組，以適應(yīng)大變比的需求。

繞組的加入使得電路拓?fù)浞治鲎兊酶訌?fù)雜，但它帶來的結(jié)果是顯著的：降低了增益，適應(yīng)了大變比的需求，并改善了波形特性。具體來說，它會使副邊二極管或整流器的導(dǎo)通角變寬，從而降低其有效值并提升效率。

將矩陣變壓器在原邊串聯(lián)并整合到電路中，得到了更加高效穩(wěn)定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與 LLC 電路拓?fù)湎啾?，HSC 電路拓?fù)鋼p耗減小、效率提高、功率密度提高，滿足大變比場合的需求。

06.磁性元件的優(yōu)化

針對數(shù)據(jù)中心電源所面臨的高壓大容量、大電流、大降壓比、高動態(tài)的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及應(yīng)用場合對高效率和高功率密度的極高追求，磁性元件如電感與電子變壓器也在不斷進(jìn)步并發(fā)揮著獨特的作用。

從前面可以看到，在數(shù)據(jù)中心電源中，TLVR電路拓?fù)浞桨盖擅罾民詈想姼袧M足大電流和高動態(tài)的需求，HSC電路拓?fù)淅米择钭儔浩骷佣嗬@組耦合在大降壓比下實現(xiàn)高效高功率密度，將HSC電路拓?fù)渑c矩陣變壓器結(jié)合，又可以進(jìn)一步提升HSC電路拓?fù)涞妮敵鲭娏髂芰Α?/p>

無論是什么應(yīng)用領(lǐng)域、何種技術(shù)方案，磁元件集成都是進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能的通用手段。

磁性元件的集成本身沒有太強(qiáng)的物理約束。即使交變磁通不等，公用鐵心，磁通仍然會自動找到閉合路徑從空氣中閉合。但不同的集成方案其感量、損耗等會有顯著差異，這就會有方案優(yōu)化的需求。

磁芯復(fù)用，也可以稱作磁通抵消，這是磁集成的最常用的思路。李教授團(tuán)隊提出的四磁柱集成方案便是矩陣變壓器磁集成方案的典型代表，相比于一維擴(kuò)展的集成方案，其通過閉式的磁芯復(fù)用達(dá)到了極優(yōu)的“省鐵”的效果。

臺達(dá)公司在2018年申請的相鄰磁柱磁通反向的專利，把“磁通抵消”的思路拓展到了多種變壓器集成方式，盡管我們可以從很多年前變壓器的 8 字形繞組結(jié)構(gòu)、以及2009 年金升陽公司申請的專利中看到類似的思想，但這依舊給同行設(shè)置了技術(shù)門檻。

多種磁元件集成成為打破專利限制的最直接的方法。我們看到磁元件的集成便從矩陣變壓器到矩陣變壓器+諧振電感，從LLC電路拓寬到CLLC;從利用初級側(cè)的諧振電感與變壓器的集成優(yōu)化為變壓器與次級的諧振電感集成。繞組復(fù)用、不同相位的磁場疊加的思想在磁集成中也以不同的實現(xiàn)形式呈現(xiàn)出來。

磁元件集成的門檻并不高，其底層的思路并不難理解，如磁通抵消、矢量合成等，盡可以大膽嘗試與創(chuàng)新。但要做出一個好的有生命力的設(shè)計并不容易。

一是需要好的電磁設(shè)計。如高頻應(yīng)用中的線圈優(yōu)化，就包括繞組的結(jié)構(gòu)、放置、繞組與磁場的配合、甚至磁場的整形與優(yōu)化等等，這需要大量細(xì)致深入的工作。

二是需要考慮結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性。包括強(qiáng)度、散熱、耐腐蝕等具體限制。

三是要考慮生產(chǎn)工藝和物料成本。能否減小一道工序、能否節(jié)省銅材，能否保證成品率，都成為磁元件優(yōu)化必須考量的內(nèi)容。

對于磁性元件，結(jié)構(gòu)上的一點創(chuàng)新就可能帶來很大的商業(yè)價值。未來，需要人工智能技術(shù)的介入來提高磁元件的設(shè)計及優(yōu)化效率。

總之，磁性元件行業(yè)創(chuàng)新之路永無止境。無論是專利申請還是技術(shù)突破，都需要持續(xù)學(xué)習(xí)與探索。我們鼓勵關(guān)注行業(yè)優(yōu)秀報告和研究成果，汲取靈感與動力，勇于實踐創(chuàng)新，共同推動磁性元件行業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步，為大數(shù)據(jù)及新能源背景下的功率變換技術(shù)提供更強(qiáng)大的支撐。

07.結(jié)語

在當(dāng)今數(shù)字化浪潮的強(qiáng)力推動下，數(shù)據(jù)中心的多電智能化發(fā)展勢頭迅猛，這對功率變換技術(shù)提出了極為嚴(yán)苛且多元的要求。

三相供電技術(shù)革新、堆疊半橋電路拓?fù)?、TLVR電路拓?fù)浞桨讣?HSC電路拓?fù)涞葎?chuàng)新成果，已然成為支撐數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的中流砥柱，顯著提升了其性能與效率，有力推動了可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

而磁性元件在這一系列變革中始終扮演著不可或缺的關(guān)鍵角色，其不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，與各類先進(jìn)技術(shù)緊密協(xié)同。

展望未來，隨著科技的持續(xù)創(chuàng)新突破，功率變換技術(shù)與磁性元件必將深度融合人工智能、新型材料科學(xué)等前沿成果，在智能化、高效化、小型化的發(fā)展道路上大步邁進(jìn)，共同鑄就數(shù)據(jù)中心及相關(guān)領(lǐng)域更為輝煌的技術(shù)新篇。