作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎(jiǎng)作品，來自上海科技大學(xué)劉賾源的投稿。

著名的摩爾定律中指出，集成電路每過一定時(shí)間就會(huì)性能翻倍，成本減半。那么電力電子當(dāng)中是否也存在著摩爾定律呢？

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾 (Gordon Moore) 在《電子器件會(huì)議記錄》中提出，集成電路芯片上所能容納的晶體管數(shù)量每隔大約18至24個(gè)月會(huì)翻倍，同時(shí)成本也會(huì)相應(yīng)下降一半，這就是著名的“摩爾定律”。

雖然最初是關(guān)于晶體管數(shù)量和成本的觀察性規(guī)律，但隨著時(shí)間的推移，人們常常將摩爾定律與處理器性能的持續(xù)提升聯(lián)系起來。也就是說，隨著晶體管數(shù)量的增加，處理器性能也在相應(yīng)地提升。這種觀點(diǎn)被普遍認(rèn)為是摩爾定律的一種推論，即處理器性能每隔一定時(shí)間會(huì)翻倍。

那么除了集成電路，在數(shù)據(jù)中心供電方面，電力電子領(lǐng)域是否也存在著摩爾定律呢？答案顯然是肯定的，隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，電力電子也在朝著更高的功率和更小的體積發(fā)展。

圖一：Intel的“摩爾定律”

01

48V數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)

近年來，數(shù)據(jù)中心供電應(yīng)用方面，有一項(xiàng)顯著的轉(zhuǎn)變是從傳統(tǒng)的12V中心總線架構(gòu)向更先進(jìn)的48V中心總線架構(gòu)的過渡。這個(gè)變革始于2012年，Google在OCP峰會(huì)上推出了第一代48V總線架構(gòu)。

相較于12V架構(gòu)，48V中心總線架構(gòu)擁有一系列顯著優(yōu)勢，包括更高的傳輸效率、更長的傳輸距離、更可靠和實(shí)用，以及更加靈活的配置。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心中諸如CPU、DDR等組件的電壓需求逐漸降低至1.8V以下，這就要求主板提供更大電流以保證足夠的輸入功率。這種需求與現(xiàn)代電路要在高頻率條件下工作的要求形成了挑戰(zhàn)，尤其是在追求更高功率密度的情況下。

02

傳統(tǒng)的逆變+整流

在2000年左右，針對低電壓，大電流的應(yīng)用場景，逆變器連接倍流整流器(current doubler rectifier) 是主流的應(yīng)用拓?fù)?span style="color:rgb(160,160,160);">[1]，通過使用變壓器連接逆變器與整流器，此時(shí)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定比例的降壓。此時(shí)受到器件工藝的制約，電路的工作頻率一般在100-200kHz。

從圖二（1）當(dāng)中可以看到，倍流器需要兩個(gè)電感與一個(gè)變壓器共計(jì)3個(gè)磁性元件。在大電流應(yīng)用場景下磁性元件的體積會(huì)成為制約電路板功率密度大小的主要因素，即使采用磁集成技術(shù)，整體電路的功率密度也很難有極大的提升。圖二（2）當(dāng)中，電路板功率密度僅能達(dá)到12.16W/inm3。

(1) 電路拓?fù)?/i>

(2) 電路板

圖二：倍流整流器[1]

03

LLC電路的興起

2002年，LLC電路被證明對比于不對稱半橋（AHB）電路具有更高的效率，而AHB + current doubler rectifier就是當(dāng)時(shí)一種主流的逆變器連接整流器拓?fù)洹Ｅc此同時(shí)，對比于AHB電路，雖然LLC變換器仍然需要2個(gè)電感與1個(gè)變壓器，但是通過實(shí)際變壓器的等效模型可以觀察到，原邊的并聯(lián)電感可以利用變壓器的勵(lì)磁電感替代，而諧振電感可以利用變壓器的原邊漏感替代。

因此，整個(gè)電路可以簡化為僅1個(gè)變壓器的磁性元件，這無疑大大降低了磁性元件的體積，從而大大提升了整體電路的功率密度。因此在2005年之后，LLC變換器開始逐漸運(yùn)用于低電壓，大電流，高頻率的應(yīng)用場景之中。

圖三：半橋LLC變換器

圖四：LLC電路板[2]

圖四中的LLC電路達(dá)到了164 W/inm3，可以看到對比之前的電路，功率密度有了極大的提升。然而通過圖四可以看到，即使器件已經(jīng)盡量緊密的排布，器件的高度，尤其是變壓器的磁芯高度，仍然極大制約了功率密度的進(jìn)一步提升。

參考資料

[1] Jian Sun, K. F. Webb and V. Mehrotra, "Integrated magnetics for current-doubler rectifiers," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 3, pp. 582-590, May 2004.

[2] S. Abe, Y. Ishizuka, T. Ninomiya, S. Yang, M. Shoyama and M. Kaga, "Prototype evaluation of over 10W/cm3 high power density converter for 400V-DC power distribution system in data center," 2013 IEEE 10th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS), Kitakyushu, Japan, 2013, pp. 1280-1284.