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使用固定比率轉(zhuǎn)換器提高供電網(wǎng)絡(luò)效率

2020-03-19
作者: Phil Davies,Vicor 公司全球銷售及市場(chǎng)營銷副總裁
來源:Vicor 公司

  絕大多數(shù)機(jī)電負(fù)載或半導(dǎo)體負(fù)載都需要穩(wěn)定的 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換及嚴(yán)格的穩(wěn)壓,,才能可靠運(yùn)行。執(zhí)行該功能的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常稱作負(fù)載點(diǎn) (PoL) 穩(wěn)壓器,,設(shè)計(jì)時(shí)具有最大輸入電壓及最小輸入電壓規(guī)格,其規(guī)格定義了它們的穩(wěn)定工作范圍,。這些穩(wěn)壓器的供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的復(fù)雜性可能會(huì)因負(fù)載的數(shù)量和類型,、整體系統(tǒng)架構(gòu)、負(fù)載功率級(jí),、電壓等級(jí)(轉(zhuǎn)換級(jí))以及隔離和穩(wěn)壓要求的不同而不同,。

  許多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將穩(wěn)壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器視為整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。但將合適的電壓提供給負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器,不一定都需要 PDN 穩(wěn)壓,,或者對(duì)于中間配電母線電壓而言 PDN 穩(wěn)壓并不那么重要,。考慮這一點(diǎn)時(shí),,電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮應(yīng)用固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,,它可顯著的提升PDN 的整體性能。

如何優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)

  PDN 性能通常以功耗,、瞬態(tài)響應(yīng),、物理尺寸,、重量及成本來衡量,。影響 PDN 性能的一個(gè)主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是電壓轉(zhuǎn)化的比例和高精度的線/負(fù)載調(diào)整率。工程師花了大量的時(shí)間來處理大量不同的輸入/輸出 電壓轉(zhuǎn)化率,,動(dòng)態(tài)調(diào)整率以及分布特性來提高性能和可靠性,。

  如果系統(tǒng)負(fù)載功耗處于千瓦級(jí)范圍內(nèi),采用高壓設(shè)計(jì)大容量 PDN,,可減少在系統(tǒng)中的電流等級(jí) (P=V·I),,因此可以縮小 PDN 尺寸,減輕重量并降低成本(線纜,、母線排,、主板銅箔電源層)(PLOSS = I2R)。在轉(zhuǎn)換為低壓/大電流前,,最大限度延長高電壓運(yùn)行時(shí)長,,盡可能接近負(fù)載,是一大優(yōu)勢(shì),。

  但要讓高壓,、高功率 PDN 接近負(fù)載,則需要具有高效率及高功率密度的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,。如果輸入至輸出電壓轉(zhuǎn)換比例很大,,例如 800V 或 400V 轉(zhuǎn) 48V,最高效率的轉(zhuǎn)換器是提供非穩(wěn)壓的固定比率轉(zhuǎn)換器,。這些高效率的轉(zhuǎn)換器,,不僅可提供更高的功率密度,而且還因較低的功耗,,可提供更便捷的熱管理,。

何為固定比率轉(zhuǎn)換器?

  固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理與變壓器類似,,但它執(zhí)行的不是 AC-AC 轉(zhuǎn)換,,而是 DC-DC 轉(zhuǎn)換,,輸出電壓為 DC 輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣,,這種轉(zhuǎn)換器不提供輸出電壓穩(wěn)壓,,輸入至輸出變壓由器件的“匝數(shù)比”決定。該匝數(shù)比稱為 K 因數(shù),,表示為一個(gè)相對(duì)于其電壓降壓能力的分?jǐn)?shù),。K 因數(shù)從 K=1 到 K=1/72 不等,可根據(jù) PDN 架構(gòu)及 PoL 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行選擇,。

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圖A:雙向固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理,。 K=1/16 的降壓換器,也可用作 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器,。

  典型 PDN 電壓有低電壓 (LV),、高電壓 (HV) 和超高電壓 (UHV)。

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  固定比率轉(zhuǎn)換器可以是隔離的,,也可以不是隔離的,,而且可通過反向電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)雙向功率流。例如,,一款支持雙向功能的 K=1/16 固定比率轉(zhuǎn)換器可以作為一款 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器,。

  額外的設(shè)計(jì)靈活性包括易于并聯(lián)(可滿足更高功率的電源要求)和串聯(lián)轉(zhuǎn)換器輸出的選項(xiàng)(可通過有效改變 K 因數(shù),提供更高的輸出電壓)等,。

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圖 B:BCM 轉(zhuǎn)換器易于并聯(lián),,滿足更高的電源需求。

  眾多終端市場(chǎng)及應(yīng)用的電源需求急劇上升,,因此供電網(wǎng)絡(luò)正在經(jīng)歷重大變革,。由于新特性的增加以及性能水平的不斷提升,更高的 PDN 電壓(如 48V)正在用于電動(dòng)汽車,、輕型混合動(dòng)力車以及插電式混合動(dòng)力汽車,。48V 符合許多系統(tǒng)要求的安全電氣低電壓 (SELV) 標(biāo)準(zhǔn),而 P=V?I 和 PLOSS=I2R 的簡(jiǎn)單電源方程式也說明了高壓 PDN 效率更高的原因所在,。

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圖 C:輸出串連以提高輸出電壓的 BCM 可實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性,。

  對(duì)于給定功率級(jí)而言,與 12V 系統(tǒng)相比,,48V 系統(tǒng)電流為1/4,、線路功耗低為1/16 。在 1/4 的電流下,,線纜和連接器可以更小,、更輕,而且成本也會(huì)更低,。用于混合動(dòng)力汽車的 48V 電池功率是 12V 電池的 4 倍,,增加的電源可用于動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用,,以減少二氧化碳排放,提高燃油里程數(shù)并增加新的安全及娛樂特性,。

  在數(shù)據(jù)中心機(jī)架中增加了人工智能 (AI),,使機(jī)架電源需求提高到了 20kW 以上,因此12V PDN的使用 既笨重,,效率又低,。使用 48V PDN,可獲得與混合動(dòng)力汽車相同的優(yōu)勢(shì),。在汽車及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中,,最好保留原有 12V 負(fù)載及 POL 常用降壓穩(wěn)壓器,以最大限度減少需要修改的內(nèi)容,。

使用非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器解決實(shí)際問題

  48V 符合 SELV 標(biāo)準(zhǔn),,因此非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器是 48V 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的理想之選,因?yàn)楫?dāng)前的 PoL 12V 穩(wěn)壓器能夠應(yīng)對(duì)輸入電壓的變化,。非隔離,、非穩(wěn)壓固定比率轉(zhuǎn)換器是最高效的高功率母線轉(zhuǎn)換器,,可實(shí)現(xiàn)更低功耗,、更高功率密度以及更低的成本。這一高密度有助于最新分布式配電架構(gòu)用于混合動(dòng)力汽車,,其中非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器可布置在負(fù)載旁邊,,因此可在汽車周圍最大限度運(yùn)行更小、更高效的 48V PDN,。在刀片服務(wù)器中,,這種小型非隔離式 48V 至 12V 固定比率轉(zhuǎn)換器可以布置在靠近降壓穩(wěn)壓器的主板上。

  許多全新 AI 加速卡(如 NVidia 的 SXM 以及開放式計(jì)算計(jì)劃 (OCP) 成員的 OAM 卡)都設(shè)計(jì)有 48V 輸入,,因?yàn)?AI 處理器功率級(jí)在 500 至 750W 之間,。要讓依然在其機(jī)架中使用 12V PDN 背板的云計(jì)算及服務(wù)器公司使用這些高性能卡,就需要實(shí)現(xiàn) 12V 至 48V 的轉(zhuǎn)換,。在這些加速卡上(或在更高功率的分布式 12V 至 48V 模塊中)增加一款雙向 K=1/4 非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器,,作為 12V 至 48V 升壓轉(zhuǎn)換器 (K = 4/1),可輕松將 AI 功能帶入老式機(jī)架系統(tǒng),。

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圖 D:原有系統(tǒng)的 48V 電源

  Vicor NBM2317 可將 48V 高效轉(zhuǎn)換為 12V,,也可將 12V 高效轉(zhuǎn)換為 48V,因?yàn)?NBM 是一款雙向轉(zhuǎn)換器,。雙向性可將原有電路板整合在 48V 基礎(chǔ)架構(gòu)中,,也可將最新 GPU 整合在原有 12V 機(jī)架中。

如何滿足需要隔離功能而且要求苛刻的高電壓應(yīng)用需求

電動(dòng)汽車

  在電動(dòng)汽車應(yīng)用中,,電源需求決定了電池電壓必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前混合動(dòng)力汽車使用的 48V,,通常選擇 400V,。400V 轉(zhuǎn)換為 48V,配送給動(dòng)力總成及底盤周圍的不同負(fù)載,。為支持快速充電,,400V 電池由提供穩(wěn)壓 800V DC 輸出的充電站通過 800V 至 400V 轉(zhuǎn)換器充電。

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圖 E:分布式 48V 架構(gòu)將多個(gè)功耗更低的更小轉(zhuǎn)換器布置在接近 12V 負(fù)載的位置,。

  在 400V/48V 及 800V/400V 應(yīng)用中,,由于功率要求高,可有效地使用具有高功率密度,、效率在 98% 以上的隔離式 K:1/8(400/48) 及 K:1/2 (800/400) 固定比率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)陣列,。穩(wěn)壓可在固定比率轉(zhuǎn)換器級(jí)前面或者后面提供。未穩(wěn)壓的功率密度及效率提升,,不僅在這一極高功率應(yīng)用中的這個(gè)位置效果顯著,,而且還可簡(jiǎn)化熱管理。

高性能計(jì)算

  高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)機(jī)架功率級(jí)通常高于 100kW,,因此使用 380VDC 作為主要 PDN,。在這些應(yīng)用中,K:1/8 與 K:1/16 的隔離式固定比率轉(zhuǎn)換器集成在服務(wù)器刀片中或通過機(jī)架配電的夾層卡上,,為主板提供 48V 或 12V 電源,。隨后由 12V 多相降壓轉(zhuǎn)換器陣列或更高效率的高級(jí) 48V 至 POL 架構(gòu)提供穩(wěn)壓。固定比率轉(zhuǎn)換器的密度和效率又一次在實(shí)現(xiàn)這類 PDN 架構(gòu)中發(fā)揮重要作用,,可實(shí)現(xiàn)高性能,。

系留無人機(jī)

  另一項(xiàng)需要隔離的高電壓應(yīng)用就是系留無人機(jī)。系留無人機(jī)的電源線長度可能會(huì)超過 400 米,,無人機(jī)必須將其提起并保持,,才能達(dá)到其飛行高度。使用 800V 等高電壓,,可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸,、重量和成本,從而可實(shí)現(xiàn)性能更高的無人機(jī),。使用板載固定比率轉(zhuǎn)換器(一般 K=1/16)轉(zhuǎn)換至 48V,,可提供非常高效的極小供電解決方案,充分滿足機(jī)載電子產(chǎn)品及視頻有效載荷的需求,。

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圖 F:電壓越高,,電線就越輕,系留無人機(jī)飛得就越高,。

5G 通信

  現(xiàn)在,,全世界的都在提升4G 無線電和天線塔為之前 4G 設(shè)備5倍的最新 5G 系統(tǒng)。4G PDN 為 48V,通過線纜從地面電源系統(tǒng)提供,。新增 5G 設(shè)備,,功率級(jí)顯著提升,如果 PDN 要保持在 48V 電壓下,,那直徑就會(huì)非常大,,電線就會(huì)很重。電信公司正在研究使用 380VDC PDN 的優(yōu)勢(shì),,以顯著縮小線纜尺寸,。在升壓模式下使用雙向 K 1/8 固定比率轉(zhuǎn)換器,地面 48V 電源系統(tǒng)可向塔頂提供 380V 的電源(K:8/1),。4G 和 5G 系統(tǒng)在塔頂使用 380V 至 48V 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器,,不僅可獲得 48V 穩(wěn)壓電源,而且還可通過 380V 細(xì)小電線實(shí)現(xiàn)更低成本的供電,。

固定比率轉(zhuǎn)換器為高性能應(yīng)用提供高度靈活的 PDN 設(shè)計(jì)

  高性能電源需求在不斷上升,。企業(yè)及高性能計(jì)算高級(jí)系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,、自動(dòng)駕駛汽車以及大量交通運(yùn)輸應(yīng)用只是需要更多電源的高增長產(chǎn)業(yè)中的幾個(gè),。這些市場(chǎng)有一個(gè)共同的特點(diǎn):每個(gè)市場(chǎng)都有極大的電力需求,它們都可從高功率密度的小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案中獲益,,節(jié)省空間并減輕重量,。電源系統(tǒng)工程師應(yīng)當(dāng)把固定比率轉(zhuǎn)換器作為實(shí)現(xiàn)更高性能 PDN 的重要高靈活解決方案,以在整體系統(tǒng)性能方面獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。


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