大多数电力或半导体负载需要可靠的DC-DC电压转换和严格的电压调节,才能稳定运行。执行此功能的DC-DC转换器pd.gif通常称为负载点(PoL)电压调节器,通过设计最大输入电压规格和最小输入电压规格来定义稳定的操作范围。这些电压调节器的供电网络(PDN)的复杂性取决于负载的数量和类型、整体系统体系结构、负载功率水平、电压(转换水平)、隔离和电压调节要求。

大多数电力或半导体负载需要可靠的DC-DC电压转换和严格的电压调节,才能稳定运行。执行此功能的DC-DC转换器010-350000通常称为负载点(PoL)电压调节器,通过设计最大输入电压规格和最小输入电压规格来定义稳定的操作范围。这些电压调节器的供电网络(PDN)的复杂性取决于负载的数量和类型、整体系统体系结构、负载功率水平、电压(转换水平)、隔离和电压调节要求。

许多电源系统设计师将电压调节DC-DC转换器010-350000视为整个系统设计的核心。但是,为PoL电压调节器提供正确的电压不一定需要PDN电压调节器,对中配电总线电压也不是必需的。考虑到这一点,电力系统工程师应考虑实施固定比例的DC-DC转换器010-350000,这将对整体PDN性能产生重大好处。

PDN性能通常以功耗、临时响应、物理大小、重量和成本来衡量。影响PDN性能的主要设计挑战之一是网络需要电压转换和严格的线路/负载调节次数。工程师花费大量时间优化大规模电压转换、动态电压调节和配电质量,从而提供高性能和可靠性。

如果系统负载功率在几千瓦范围内,则设计大型PDN来处理高压将减少系统需要分配的电流(P=VI)。结果是PDN大小、重量和成本(电缆、总线、板铜箔电源层)减少(PLOSS=I2R)。因此,设计师努力使尽可能多的电路在高电压/小电流下工作,只在接近负载的地方切换到低电压/大电流。

但是,为了使高电压、高功率PDN接近负载,需要高效和高功率DC-DC转换器010-350000。如果电路需要大电压相位下降(例如从800V或400V下降到48V),则能够完成此任务的最有效的转换器将成为固定比率转换器。这些转换器不提供调节器,功耗极低。效率的优点使更高的功率密度和更方便的热量管理成为可能。

什么是固定比率转换器?

固定比率转换器在大功率供电系统中的作用

图1:双向固定比率转换器与K=1/16的降压转换器一样,也充当K=16/1的升压转换器。

固定比率转换器的工作方式与变压器非常相似,但它执行的是DC-DC转换,而不是AC-AC转换。输出电压是固定比率的直流输入电压。与变压器一样,这种转换器不提供输出电压调节器,输入-输出变压由装置的“绕组线”决定。这个绕组比称为K系数,以相对于电压下降能力的分数表示。K因子从K=1到K=1/72不等,可以根据PDN体系结构和PoL电压调节器设计规范进行选择。典型的PDN电压分为低压(LV)、高压(HV)和超高压(UHV)。

固定比率转换器可以是隔离的,也可以是不隔离的,通过反向电压转换可以获得双向功率流。例如,支持双向功能的K=1/16固定比率转换器可以作为K=16/1的升压转换器运行。

固定比率转换器在大功率供电系统中的作用

图2:为了提高设计灵活性,提高输出电压的2:连接BCM输出。

固定比率转换器在大功率供电系统中的作用

图3: BCM转换器可以轻松地并行工作,以满足更高的电源要求。

额外的设计灵活性使转换器能够轻松地并行连接以满足更高的功率要求,并且可以通过更改K系数来串联旋转转换器,以提供更高的输出电压。

随着众多终端市场和应用程序的电力需求急剧增加,供电网络正在发生重大变化。电动汽车(EV)、轻型混合动力车、可插拔混合动力车使用了48-V等更高的PDN电压。48V电压符合许多系统要求下的安全电气低压(SELV)标准,P=VI和PLOSS=I2R的简单电源方程解释了高压PDN为什么更有效。

对于指定的功率水平,48V系统电流比12V系统低1/4,功耗低1/16。在1/4的电流下,电缆和连接器更小、更轻、成本更低。混合动力汽车使用的48V电池功率是12V电源的4倍,增加的功率可用于减少CO2排放、增加燃料里程和执行新的安全和娱乐功能。

数据中心新的人工智能(AI)使机架功耗超过20千瓦,从而使12-V PDN的使用变得笨重和低效。使用48-V PDN可以获得混合动力汽车等优点。对于汽车和数据中心应用程序,建议保留现有的12-V负载和POL公用电压调节器,以最大限度地减少变化。

48V符合SELV标准,因此非隔离的固定比率转换器是48V-12V DC-DC转换的理想选择。因为现在的PoL 12V电压调节器可以响应输入电压的变化。非隔离非电压固定比率转换器是最高效的大功率总线转换器,可以降低功耗,提高功率密度,降低成本。高密度有助于混合动力汽车使用最新的分布式分配体系结构,通过在负载旁边放置非分离式固定比率转换器,可以使整个汽车成为更小、更高效的48-V PDN线路。在刀片式服务器上,小型非分离式48V-12V固定率转换器可以放置在主板上的电压调节器下降附近。

许多新的AI加速卡(如NVidia SXM和开放计算计划(OCP)成员的OAM卡)设计为48V输入,因为AI处理器的功耗在500-750瓦之间。仍然在机架中使用12V PDN背板的云计算公司和服务器公司需要12至48V的转换才能使用这些高性能卡。这些加速卡配备了K=1/4的双向非隔离固定比率转换器,并配备了12-48V升压转换器(K=4/1)或功率更高的分布式12-48V模块,以便将AI功能集成到以前的机架系统中。

需要隔离的高压应用程序

目前在世界各地部署了4G无线电和天线塔,需要升级到新的5G系统,该系统的功率是4G设备的5倍。4G PDN为48V,通过电缆从地面电源系统提供。如果PDN保持在48V,5G设备的功耗大幅增加,则必须使用大直径的重型电源线。因此,通信公司目前正在考虑使用380-VDC PDN,大幅减少电缆尺寸。

在升压模式下使用双向K:8/1/8固定比率转换器,地面48V电源系统可以为塔顶提供380V的电源(K:8/1)。塔顶的380-V ~ 48-V电压调节器可在4G和5G系统上使用48-V电压调节器,并可通过380-V小型电线以较低的成本供电。

系留无人机是另一种需要隔离的高压应用。无人机的电缆长度可以超过400米,无人机飞行时必须举起这条电缆的重量。使用高电压,如800V,可以减少系缆的大小和重量。紧凑的板载固定率转换器,通常K=1/16,将电源减少到48V,适用于机载电子产品和视频有效负载。

电动汽车对电力要求很高,所以400V是电池电压的典型选择。然后,400V转换为48V,提供给电源系统和机箱周围的各种负载。为了快速充电,400V电池在具有800VDC电压调节输出的充电站通过800V至400V转换器充电。

固定比率转换器在大功率供电系统中的作用

图5:分布式48V体系结构将多个功耗低的小型转换器放置在接近12V负载的位置。

在400/48-V和800/400-V应用程序中,功率密度和效率超过98%的一系列并行隔离k: 1/8 (400/48)和k: 1/2 (800/调节器可以在固定比率转换器前后运行此外,如果不提供电压调节器的功率密度和效率提高,热量管理就会简化。

兆字节级高性能计算(HPC)系统机架功率等级通常超过100千瓦,因此使用380VDC作为基本PDN。在这些应用程序中,k: 1/8和k: 1/16的隔离固定比率转换器可以集成到刀片式服务器中,也可以通过机架配电集成到夹层卡中,为主板提供48V或12V电源。然后通过12-V多相降压转换器阵列或更高效的高级48-V-POL体系结构调节器。固定比率转换器的密度和效率再次成为使这些PDN体系结构获得高性能的重要因素。

固定比率转换器在大功率供电系统中的作用

图6: vicor nbm 2317是双向转换器,因此在48V和12V之间提供了高效的双向转换。可以双向将现有电路板集成到48V基础架构中,也可以将最新的GPU集成到现有12V机架中。

电力高增长产业中只有少数。这些应用程序有一个共同点。每个市场都有巨大的电力需求,从功率密度高的小型DC-DC转换器中获得巨大好处。也就是说,不仅可以减少空间,还可以减少重量。电力系统工程师应使用固定比率转换器作为实施高性能PDN的重要灵活方法,提供有竞争力的整体系统性能优势。

(资料来源:Vicor,作者:Power Electronic TIps)

_固定比率变换器在大功率电源系统中的作用

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