UFC762AE101 3BHE006412R0101 在高压服务器电源中使用低压设备

　　在人工智能进步的推动下，数据中心的功率需求不断增长，推动了对更高功率密度和效率的转换器的需求。这些转换器通常由两级组成:功率因数校正(PFC)电路和隔离式DC-DC转换器。

　　PFC采用240 VAC的电源电压工作，并产生400 VDC总线。DC-DC级降压至50 V，同时提供隔离。此外，此类电源必须符合最新发布的要求打开计算机ORV3标准，符合特定的外形和尺寸。

　　图一。两级服务器电源，电网交流到50 V中间总线。图像使用礼貌博多的动力系统[PDF]

　　本系列由三部分组成，第一部分概述了高压服务器电源中的低压器件。

　　高压拓扑中的低压器件

　　传统电源使用围绕半桥构建的两级拓扑，并采用宽带隙(WBG)高压器件。为了实现更高的功率，高压器件需要低导通电阻，在某些情况下，需要多个器件并联。这些经典技术都没有显著增加功率密度。或者，低压器件可以与多级拓扑和级联配置结合使用，以提高功率密度，使其超过高压器件。

　　多级拓扑

　　多级拓扑使用串联的装置和电容器将高电压分成多个较低的电压电平，这些装置和电容器设置相应的电平。一种流行的拓扑是飞跨电容方法，如图2所示，配置为具有四个电平的图腾柱功率因数校正电路。

　　图二。图腾柱多电平PFC转换器。图像使用礼貌博多的动力系统[PDF]

　　级联配置

　　在级联配置中，多个转换器串联连接，以在输入端建立所需的电压，输出端并联连接，如图3所示。如果级联中使用的转换器是电压源型且隔离的，则这种方法有效。

　　图3。固定比率隔离转换器的级联配置。图像使用礼貌博多的动力系统[PDF]

　　性能比较:高压与低压器件

　　一个5千瓦，240伏交流电(alternating current)至50伏直流电电源系统包括一个PFC级和一个400 V隔离级直流电中间总线将作为比较高压和低压设备方法的基线。PFC级采用图腾柱配置进行硬开关，而隔离级基于LLC进行软开关。这两种拓扑都是服务器电源的流行选择。

　　第一个比较是适用于PFC转换器的综合硬开关品质因数(FOM)的多级调整。这些分量在等式(1)至(3)中给出，并在等式(4)中合并，其中较低的值产生较好的性能。

　　FOM1=RDS(on)⋅QG⋅(N−1)2(1)���1=���(��)⋅��⋅(�−1)2(1)FOM2=RDS(on)⋅QOSS(2)���2=���(��)⋅����(2)FOM3=RDS(on)⋅QRR⋅(N−1)2(3)���3=���(��)⋅���⋅(�−1)2(3)FOMML=√FOM21+FOM22+FOM23(4)�����=���12+���22+���32(4)5 kW PFC的每个高压开关大约需要15mω，相当于3个器件串联在4电平快速电容配置中。为了比较a额定650 V碳化硅MOSFET，一个额定650 V共源共栅GaN FET，两个平行650 V额定增强型GaN FETs，均适用于PFC和LLC，与200 V额定GaN FET对于4电平PFC和150 V额定GaN FET对于4级联LLC，结果在表1中给出。由于级联配置使用四个堆叠转换器，因此相当于一个5电平转换器。

　　从表1中可以看出，无论采用何种技术，低压器件的FOM都比任何高压器件低得多。

　　表1。分别用于2电平、4电平PFC和4级联配置转换器的650 V、200 V和150 V器件的多电平品质因数比较。

　　设备技术V鐽㈤VG㈤RDSon典型值(百万)QG(数控)Q战略情报局(数控)Q乡邮投递路线(数控)级别(N)FOM机器语言(Machine Language)(mω。nC)

　　IMW65R015M2H碳化硅MOSFET6501814.57914822124024

　　TP65H015G5WS共源共栅氮化镓场效应晶体管65010157443043029189

　　2个GS66516T-MR增强型氮化镓场效应晶体管650512.528.4268023369

　　EPC2304增强型氮化镓场效应晶体管20053.12411604761

　　EPC2305增强型氮化镓场效应晶体管15052.22210305807

　　下一个要比较的转换器特性是差模EMI。在多电平转换器或级联配置中，任何开关事件电压将总是比2电平转换器拓扑低得多。较低的电压转换成比例地降低了差模EMI能量。此外，电压较低的器件往往开关速度更快，从而增加了它们的EMI频率成分。对PFC转换器进行了仿真，该PFC转换器包括单个共模扼流级EMI滤波器和用于具有差模传导EMI输出的LISN的等效电路。2级和4级图腾柱PFC的比较结果如图4所示。4电平转换器比2电平转换器低大约40 dB。

　　图4。使用单个共模扼流圈EMI滤波器，对2级半桥和4级飞跨电容图腾柱PFC转换器之间的差模EMI进行模拟和传导比较。图像使用礼貌博多的动力系统[PDF]

　　在高压应用中使用低压器件的最后一个好处是减小了磁性元件的尺寸。对于快速电容多电平转换器，级数将主电感的电感降低(N–1)2倍，其中N是纹波电流幅度保持不变时的级数。因此，对于3级配置，可以预期降低4倍，对于4级配置，可以预期降低9倍。

　　除了尺寸减小之外，较低的电感还提高了闭环电流控制响应，从而更容易符合更严格的电网THD标准。

　　对于级联方法，变压器需要更少的绕组匝数，这为使用标准PCB技术和平面磁学进行构建提供了可能性。这些磁性部件的减少增加了功率密度并降低了成本。此外，低压变压器可以在更高的频率下工作，进一步减小了磁性元件的尺寸。

　　模块性

　　级联配置的固有特征是模块化，其中低压输入模块被堆叠以实现系统的更高输入电压。这些模块的设计比更高电压计数器部件的设计简单得多，这在很大程度上是因为变压器绕组的匝数更少。只需在堆栈中添加额外的模块，就可以轻松扩展以适应更高的电压，如400 V和800 V电源。

　　图5。(A) 5 kW四级PFC转换器模块，(b) 1.25 kW 100V至50 V LLC转换器模块，用于5 kW级联转换器。图像使用礼貌博多的动力系统[PDF]

　　在多电平转换器的情况下，其较小的电感尺寸也允许设计模块化。这种模块化使得增加额外的相位来增加功率变得容易。

　　低压设备解决方案的模块化如图5(a)所示，适用于240 VAC至400 VDC、5 kW多级转换器模块，图5(b)所示，适用于400 VDC至50 VDC级联系统的1.25 kW、100 VDC至50 VDC LLC转换器模块。

　　请继续关注第2和第3部分

　　本文的第1部分概述了在高压应用中使用低压GaN器件，并以240 V为例交流电(alternating current)源5 kW图腾柱PFC和400 V直流电至50伏直流电隔离式LLC转换器。FOM分析显示，使用较低电压的器件可以显著提高性能。好处还包括通过减小磁性元件尺寸和降低EMI滤波器要求来提高功率密度。第2部分将详细介绍多电平PFC转换器。第3部分将讨论隔离转换器的细节。