電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）英偉達(dá)在800V DC架構(gòu)中，通過在數(shù)據(jù)中心內(nèi)升級高壓直流母線，減少AC/DC的轉(zhuǎn)換部分，降低損耗的同時，也能夠提高機(jī)架內(nèi)的空間利用率。其中，從數(shù)據(jù)中心直流母線到機(jī)架，有兩種方式，一是通過集中式的DC-DC，在機(jī)架外部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過低壓母線進(jìn)行電壓分配；另一種是在機(jī)架內(nèi)部直接進(jìn)行800V到50V的電壓轉(zhuǎn)換，這樣降低了損耗，效率更高，但需要更高密度的800V到50V的高效DC-DC轉(zhuǎn)換。

為了應(yīng)對DC-DC的高功率密度、高效率、熱管理等需求，SiC、GaN等第三代器件將會在英偉達(dá)800V DC架構(gòu)中大量應(yīng)用。而最近，ST也在其最新的白皮書中，展示了ST專為800V機(jī)架配電開發(fā)的高功率電力傳輸板（PBD）方案，詳細(xì)介紹了該方案的電源架構(gòu)以及器件選型。

12kW GaN LLC轉(zhuǎn)換器

LLC轉(zhuǎn)換器因其軟開關(guān)能力和高效率，在高頻DC-DC轉(zhuǎn)換中被廣泛應(yīng)用，ST針對數(shù)據(jù)中心推出了一種12 kW、1 MHz DCX 16：1堆疊LLC諧振轉(zhuǎn)換器。

ST表示，GaN晶體管可以實現(xiàn)超過1 MHz的開關(guān)頻率，這對于高密度數(shù)據(jù)中心電源至關(guān)重要。雖然平面變壓器和矩陣變壓器能提升性能和可擴(kuò)展性，但它們傳統(tǒng)上工作在500 kHz以下且電壓較低。轉(zhuǎn)向800 V總線系統(tǒng)和更高功率密度需要1 MHz的開關(guān)頻率，這帶來了與電磁干擾（EMI）、損耗和熱管理相關(guān)的挑戰(zhàn)。

因此，這款LLC轉(zhuǎn)換器采用了GaN器件和新型的平面矩陣變壓器，基于10層PCB優(yōu)化以實現(xiàn)最小損耗和高功率密度。堆疊LLC高效地將800 V轉(zhuǎn)換為50 V，達(dá)到98%的峰值效率。

堆疊式12kW DCX LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖圖源：ST

疊層式LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是兩個LLC轉(zhuǎn)換器組成，每個由400V電源供電（占800V母線電壓的一半），在輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)，從而降低主設(shè)備的電壓應(yīng)力和次級設(shè)備的電流應(yīng)力。

GaN晶體管實現(xiàn)1 MHz工作頻率，可減小無源元件尺寸，便于使用磁通抵消技術(shù)的平面變壓器，并提高功率密度。方案中平面矩陣變壓器采用八組元件變壓器的10層PCB變壓器，通過磁通抵消和先進(jìn)繞組技術(shù)（對稱初級、交叉連接次級），可將損耗降低約30%，并提升熱性能。

堆疊式12kW DCX LLC轉(zhuǎn)換器最高效率可達(dá)98%，功率密度目標(biāo)值為2600 W/in3。同時提供熱插拔功能。

在熱管理方面，該轉(zhuǎn)換器采用液冷設(shè)計，可將設(shè)備溫度維持在65°C，確保在高功率密度下可靠運行。

方案包含兩個6 kW功率轉(zhuǎn)換器級，每個級分別產(chǎn)生獨立輸出。每個轉(zhuǎn)換器級進(jìn)一步分為兩個3 kW部分，以交錯模式運行，以最小化電壓紋波并減少所需電容數(shù)量。采用一個32位STM32G474ME微控制器單元（MCU）管理用于同步整流的主SGT023R70FTP氮化鎵器件（700 V，18 mΩ）和次級SGT1D5R10MEA氮化鎵開關(guān)（100 V，1.1 mΩ）。

矩陣變壓器設(shè)計與磁通分布來源：ST

另外，在方案中ST還選擇了一種新型的平面矩陣變壓器，這種變壓器是鑲嵌在PCB中，其優(yōu)勢是低剖面設(shè)計、自動化制造、高重復(fù)性、優(yōu)異的熱性能，以及在LLC轉(zhuǎn)換器中利用漏感作為諧振電感（L_r）的優(yōu)勢。該矩陣設(shè)計通過磁通抵消技術(shù)縮小鐵芯尺寸，同時優(yōu)化元件變壓器間的負(fù)載分擔(dān)，顯著提升功率密度。采用緊湊型UI鐵芯搭配雙元件變壓器，有效縮小設(shè)備外形尺寸。兩側(cè)的零氣隙側(cè)支路共享磁通量，既減輕頂板負(fù)載又優(yōu)化了磁芯組裝結(jié)構(gòu)。

繞組設(shè)計需確保主繞組與次級繞組之間形成有效隔離與屏蔽，同時控制漏感，使其不超過諧振電感L_r。通常采用夾層疊層結(jié)構(gòu)，主繞組位于次級繞組之間。對于3千瓦以下功率且頻率低于500千赫的設(shè)備，設(shè)計中會采用加厚銅材并配備屏蔽層。然而，為了提高功率密度并達(dá)到1MHz開關(guān)頻率，銅層厚度被限制在2盎司以內(nèi)，這既是為了減少渦流損耗，也是為了滿足HDI制造工藝的限制。因此需要采用2盎司銅的10層堆疊結(jié)構(gòu)。使用2盎司銅層時，繞組需要采用多層并聯(lián)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電流分布不均，主要集中在初級與次級繞組的交界處。為改善這一問題，初級繞組采用了對稱交錯的并聯(lián)連接方式，通過平衡電流分布，成功將損耗降低了34%。

在次級繞組（所有繞組均并聯(lián)連接）中，無法像初級繞組那樣實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)。為此，我們提出了一種創(chuàng)新的單匝分段連接方案：通過采用類似利茲線的交叉連接方式，將疊片結(jié)構(gòu)上下兩半的次級繞組進(jìn)行交叉連接，使它們感受到相同的磁動勢（MMF），從而實現(xiàn)電流的均衡分配，并使次級繞組損耗降低約27%。通過同時采用這兩種策略，整體繞組損耗在1MHz頻率下可降低約30%。

800V-50V DC-DC方案

基于上述的12kW GaN LLC轉(zhuǎn)換器，ST開發(fā)出一款12kW高密度電源板，在50V輸出電壓下，可以以超過98%的峰值效率持續(xù)供電，同時功率密度超過2,500 W/in3。在這個電源板方案上，ST采用了1200V SiC MOSFET實現(xiàn)熱插拔保護(hù)，650 V GaN HEMT采用堆疊式半橋配置，用于主側(cè)直流-直流轉(zhuǎn)換，以及100 V GaN HEMTs用于二次側(cè)同步整流。

電隔離方面，采用STGAP芯片專有的硅基隔離技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)過現(xiàn)場驗證且已投入生產(chǎn)，通過強化電隔離，可安全地將信號傳輸至隔離屏障，從而提升安全性和可靠性。該技術(shù)專為高速開關(guān)設(shè)計，具有低傳播延遲和先進(jìn)的內(nèi)置保護(hù)功能。

在控制方面采用了載STM32G4混合信號微控制器，其搭載的Arm?Cortex?-M4核心可運行至
170 MHz。該系統(tǒng)集成了高性能模擬外設(shè)和硬件加速器，用于數(shù)學(xué)運算，其200皮秒以下的定時器分辨率可實現(xiàn)自適應(yīng)零電壓開關(guān)（ZVS）的高精度高頻脈寬調(diào)制（PWM）。

變壓架構(gòu)采用四組雙元件變壓器組合，通過縮小磁芯尺寸和散熱設(shè)計，使得鐵氧體磁芯體積更小，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時通過封裝優(yōu)化抑制寄生電感，采用雙面散熱確保高效的熱管理。

可以看到，對于800V-50V DC-DC中，GaN器件已經(jīng)是實現(xiàn)高密度轉(zhuǎn)換器方案的首選。納微半導(dǎo)體在最近發(fā)布的白皮書中，也展示了一款10kW 800 VDC-50 VDC參考設(shè)計，在61毫米×116毫米×12毫米尺寸內(nèi)將800V直流轉(zhuǎn)換為50V直流，同時還包含輔助電源和控制。

納微10kW，800V-50V DC-DC全磚解決方案 來源：納微半導(dǎo)體

納微的方案采用三級半橋LLC諧振轉(zhuǎn)換器，作為直流變壓器（DCX）運行。初級側(cè)的三級拓?fù)渫ㄟ^交替切換接地、半輸入電壓和全輸入電壓來降低電壓需求，從而提高系統(tǒng)效率。LLC采用兩個電感器和一個電容器作為諧振轉(zhuǎn)換器，利用軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)最高效率。這使得平面磁體能夠提供最大集成度和最高開關(guān)頻率。同步整流級激活100V GaN FET，提供低導(dǎo)通路徑并支持最高頻率。同時該方案也采用了平面變壓器，納微表示，當(dāng)使用高頻GaN器件時，平面變壓器具備低V?s、可消除磁芯飽和的特性，能夠降低整體損耗。

小結(jié)：

800V DC架構(gòu)的核心理念在于，通過高壓直流降低傳輸損耗，同時減少AC-DC的步驟，提高機(jī)架空間利用率。因此，未來機(jī)架內(nèi)部800V DC-50V DC將會成為架構(gòu)中的關(guān)鍵之一，其高功率密度、小型化的需求下，GaN作為高頻與高密度電源的核心支撐，已經(jīng)成為各家廠商的方案中不可或缺的一環(huán)。未來數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，GaN實現(xiàn)高頻高密度直流轉(zhuǎn)換器、SiC提供高壓保護(hù)和可靠性補充，將會成為行業(yè)主流的方案。