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固定比率轉換器在大功率供電系統的用武之地
 

【作者: Phil Davies】   2023年07月20日 星期四

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絕大多數機電或電晶體負載都需要穩定的DC-DC電壓轉換及嚴格的穩壓,才能可靠運行。執行該功能的 DC-DC 轉換器,通常被稱為負載點(PoL)穩壓器,其設計最大輸入電壓規範和最小輸入電壓規格,該規格定義了它們的穩定工作範圍。這些穩壓器的供電網路(PDN)的複雜性,可能會因為負載的數量和類型、整體系統架構、負載功率級、電壓(轉換級)以及隔離和穩壓要求的不同而異。


許多電源系統設計人員將穩壓的DC-DC轉換器視為其整體系統設計的關鍵,但是將正確的電壓提供給PoL穩壓器,不一定都需要PDN穩壓,或者對於中間配電母線電壓而言,也不是強制性的。 考慮這一點時,電源系統工程師應該考慮實施固定比率DC-DC轉換器,其可為整體PDN 效能帶來顯著的優勢。


PDN效能通常以功耗、瞬態回應、物理尺寸、重量及成本來衡量。影響 PDN效能的主要設計挑戰之一,在於網路需要電壓轉換及嚴格線路/負載穩壓的次數。 工程師用大量時間來優化大型電壓轉換、動態穩壓和配電質量,以實現高性能和高可靠性。


如果系統負載功率在幾千瓦範圍內,設計大型PDN來處理高壓,會?少系統必須分配的電流(P= V × I)。 結果會縮減PDN尺寸、重量和成本(線纜、母線、主機板銅箔電源層)(PLOSS = I2R)。因此,設計人員通常會努力使盡可能多的電路在高電壓/小電流下工作,只在接近負載的地方將其轉換為低電壓/大電流。


但要讓高壓、高功率PDN靠近負載,則需要高效率和高功率密度的DC-DC轉換器。 如果電路需要很大的電壓步降,比如從800V或400V降至48V,那麼能?完成這項工作並具有最高效率的轉換器將是固定比率轉換器。 這些轉換器不提供穩壓,功耗極少;其高效率的優點可實現更高的功率密度和更便捷的熱管理。


何為固定比率轉換器?


圖一 : 雙向固定比率轉換器的工作原理與 K=1/16 的降壓轉換器一樣,可用作為 K=16/1 的升壓轉換器。
圖一 : 雙向固定比率轉換器的工作原理與 K=1/16 的降壓轉換器一樣,可用作為 K=16/1 的升壓轉換器。

固定比率轉換器的工作原理與變壓器極為相似,但它執行的不是AC-AC轉換,而是DC-DC轉換,輸出電壓為固定比例的DC輸入電壓。 與變壓器一樣,這種轉換器不提供輸出電壓穩壓,輸入至輸出變壓由器件的「匝數比」決定。 該匝數比稱為K因數,表示為一個相對於其電壓降壓能力的分數。K因數從K=1到K=1/72不等,可根據PDN架構及PoL穩壓器設計規格進行選擇。典型的PDN電壓分為低電壓(LV)、高電壓(HV)及超高電壓(UHV)。


固定比率轉換器可以是隔離的,也可以非隔離,可通過反向電壓轉換實現雙向功率流。例如一款支持雙向功能的 K=1/16 固定比率轉換器,可作為一款 K=16/1 的升壓轉換器運行。



圖二 : BCM 輸出串連以提高輸出電壓,從而實現更高的設計靈活性。
圖二 : BCM 輸出串連以提高輸出電壓,從而實現更高的設計靈活性。

圖三 : BCM轉換器可輕鬆並聯,滿足更高的電源需求。
圖三 : BCM轉換器可輕鬆並聯,滿足更高的電源需求。

額外的設計靈活性包括易於並聯以滿足更高的電源要求,以及通過改變 K 因數將轉換器串聯轉以提供更高的輸出電壓等。


眾多終端市場及應用的電源需求急劇上升,因此供電網路正在經歷重大變革。電動汽車(EV)、輕度混合動力汽車和插電式混合動力汽車,正在使用 48V 等更高 PDN 電壓,48-V電壓符合許多系統要求的安全電力低電壓(SELV)標準,而P = V × I和PLOSS = I2R的簡單電源方程式,也說明了高壓 PDN 效率更高的原因。


對於設定功率水準而言,與12-V系統相比,48V系統電流低至1/4、功耗低至1/16。在1/4的電流下,線纜和連接器可能會更小、更輕,而且成本也很低。用於混合動力汽車的48V電池功率是12-V電源的4倍,新增的功率可用於供電鏈應用,以?少CO2 排放,提高燃油里程數並執行新的安全與娛樂特性。


資料中心新增人工智慧(AI),使得機架功耗超過20kW,進而使得12-V PDN的使用變得笨重、低效。 使用48-V PDN在這裡帶來的優勢與混合動力汽車相同。 在汽車和資料中心應用中,最好保留原有12-V負載及POL常用降壓穩壓器,以最大限度?少變化。


48V符合SELV標準,因此非隔離固定比率轉換器是48V至12V DC-DC轉換的理想之選,因為當前的 PoL 12-V 穩壓器能?應對輸入電壓的變化。非隔離、未穩壓固定比率轉換器是最高效的大功率母線轉換器,可降低功耗,提高功率密度並降低成本;其高密度有助於混合動力汽車使用最新分佈式配電架構,其中非隔離固定比率轉換器可佈置在負載旁邊,讓整個汽車實現更小規模、更高效的 48V PDN 走線。在刀片服務器中,小型非隔離式48V至12V固定比率轉換器,可佈置在主機板上靠近降壓穩壓器的位置。


許多全新AI加速卡,如NVIDIA的SXM以及開放式計算計畫(OCP)成員的OAM卡,都設計為48V輸入,因為 AI處理器功耗在500至750W之間。 仍然在其機架中使用12V PDN背板的雲端運算公司和伺服器公司需要 12 至 48V 轉換,才能使用這些高性能卡。 為這些加速卡配備一款 K=1/4 的雙向非隔離固定比率轉換器,作為12 - 48V升壓轉換器(K=4/1),或為其配備一款更高功率的分佈式12 - 48V模組,可使較早的機架系統內建AI功能。


需要隔離的高電壓應用

現在,全世界佈置的4G無線電及天線塔必須升級至新的5G系統,其功耗為4G設備5倍。4G PDN為48V,通過線纜從地面電源系統提供。如果 PDN 保持在48V,5G設備功耗的顯著增加將迫使使用大直徑的沉重電源線。因此,電信公司目前正在考慮使用380-VDC PDN顯著縮小線纜尺寸。


在升壓模式下使用雙向K 1/8固定比率轉換器,可讓地面48-V電源系統向塔頂提供380V 的電源(K:8/1)。塔頂的380-V至48V穩壓轉換器,將允許4G和5G系統獲得48-V穩壓電源,並能讓該系統透過380-V細小電線實現更低成本的供電。



圖四 : 繫留無人機是電纜必須盡可能輕的情?的一個示例。高壓轉換器有助於縮減繫線尺寸和重量。
圖四 : 繫留無人機是電纜必須盡可能輕的情?的一個示例。高壓轉換器有助於縮減繫線尺寸和重量。

繫留無人機是另一種需要隔離的高壓應用。繫留無人機的電纜長度可以超過 400 m,無人機在飛行時必須提起這種線纜重量。使用諸如800V等高電壓,有助於縮減系留電纜的尺寸和重量。 一款緊湊型板載固定比率轉換器,通常K=1/16,可將電源降至48V,用於機載電子產品和視頻有效負載。


電動汽車具有很高的功率要求,因此400V是電池電壓的常見選擇。400V隨後轉換為48V,配送給動力系統及底盤周圍的不同負載。為實現快速充電,400V電池由具有800VDC穩壓輸出的充電站通過800V至400V的轉換器充電。



圖五 : 分佈式 48V 架構將多個功耗更低的更小轉換器佈置在接近 12V 負載的位置。
圖五 : 分佈式 48V 架構將多個功耗更低的更小轉換器佈置在接近 12V 負載的位置。

在400/48-V和800/400-V應用中,具有高功率密度、效率超過98%的一系列並聯的隔離式K:1/8(400/48)和K:1/2(800/400)固定比率轉換器可高效工作。穩壓既可在固定比率轉換器前面執行,也可在其後面執行。 此外,不提供穩壓的功率密度和效率增益,還可簡化熱管理。


百萬兆級高效能運算(HPC)系統機架功率級通常高於100kW,因此使用380VDC作為主要的 PDN。在這些應用中,K:1/8與K:1/16的隔離式固定比率轉換器可能整合在刀片服務器中,也可能整合在通過機架配電的夾層卡上,為主機板提供48V或12V電源。 隨後通過12-V多相降壓轉換器陣列或更高效率的先進48-V至POL架構穩壓。固定比率轉換器的密度和效率,又一次在使這類 PDN 架構實現高性能的過程中發揮重要作用。



圖六 : Vicor NBM2317可實現48V和12V之間的高效雙向轉換,它是一款雙向轉換器。 雙向性可將原有電路板綜合在48V基礎架構中,也可將最新GPU綜合在原有 12V 機架中。
圖六 : Vicor NBM2317可實現48V和12V之間的高效雙向轉換,它是一款雙向轉換器。 雙向性可將原有電路板綜合在48V基礎架構中,也可將最新GPU綜合在原有 12V 機架中。

電源的高增長產業中的少數幾個。這些應用有一個共同點:每個市場都有極大的電力需求,都可從高功率密度的小型 DC-DC 轉換器中獲得的優勢:不僅可節省空間,還可以減輕重量。電源系統工程師應當把固定比率轉換器作為實現高效能PDN重要的高靈活途徑,可提供極具競爭力的整體系統性能優勢。


(本文作者Phil Davies為Vicor公司全球銷售及市場行銷副總裁)


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