浅谈固定比率转换器在大功率供电系统中的作用

作者：Power Electronic Tips

绝大多数机电或半导体负载都需要稳定的 DC-DC 电压转换及严格的稳压，才能可靠运行。执行该功能的 DC-DC 转换器通常称作负载点 (PoL) 稳压器，其设计了最大输入电压规范和最小输入电压规格，该规格定义了它们的稳定工作范围。这些稳压器的供电网络 (PDN) 的复杂性可能会因负载的数量和类型、整体系统架构、负载功率级、电压（转换级）以及隔离和稳压要求的不同而不同。

许多电源系统设计人员将稳压的 DC-DC 转换器视为其整体系统设计的关键。但将正确的电压提供给 PoL 稳压器，不一定都需要 PDN 稳压，或者对于中间配电母线电压而言，也不是强制性的。考虑这一点时，电源系统工程师应该考虑实施固定比率 DC-DC 转换器，其可为整体 PDN 性能带来显著的优势。

PDN 性能通常以功耗、瞬态响应、物理尺寸、重量及成本来衡量。影响 PDN 性能的一个主要设计挑战是网络需要电压转换及严格线路／负载稳压的次数。工程师用大量时间来优化大型电压转换、动态稳压和配电质量，以实现高性能和高可靠性。

如果系统负载功率在几千瓦范围内，设计大型 PDN 来处理高压，会减少系统必须分配的电流 (P= V×I)。结果会缩减 PDN 尺寸、重量和成本（线缆、母线、主板铜箔电源层）(PLOSS = I2R)。因此，设计人员通常会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将其转换为低电压/大电流。

但要让高压、高功率 PDN 靠近负载，则需要高效率和高功率密度的 DC-DC 转换器。如果电路需要很大的电压步降，比如从 800V 或 400V 降至 48V，那么能够完成这项工作并具有最高效率的转换器将是固定比率转换器。这些转换器不提供稳压，功耗极少。其高效率的优点可实现更高的功率密度和更便捷的热管理。

何为固定比率转换器？

图 1：双向固定比率转换器的工作原理与 K=1/16 的降压转换器一样，也可用作 K=16/1 的升压转换器。

固定比率转换器的工作原理与变压器极为相似，但它执行的不是 AC-AC 转换，而是 DC-DC 转换，输出电压为固定比例的 DC 输入电压。与变压器一样，这种转换器不提供输出电压稳压，输入至输出变压由器件的“匝数比”决定。该匝数比称为 K 因数，表示为一个相对于其电压降压能力的分数。K 因数从 K=1 到 K=1/72 不等，可根据 PDN 架构及 PoL 稳压器设计规格进行选择。典型的 PDN 电压分为低电压 (LV)、高电压 (HV) 以及超高电压 (UHV)。

固定比率转换器可以是隔离的，也可以不是隔离的，可通过反向电压转换实现双向功率流。例如，一款支持双向功能的 K=1/16 固定比率转换器可作为一款 K=16/1 的升压转换器运行。

图 2：BCM 输出串连以提高输出电压，从而实现更高的设计灵活性。


图 3：BCM 转换器可轻松并联，满足更高的电源需求。

额外的设计灵活性包括易于并联以满足更高的电源要求， 以及通过改变 K 因数将转换器串联转以提供更高的输出电压等。

众多终端市场及应用的电源需求急剧上升，因此供电网络正在经历重大变革。电动汽车 (EV)、轻度混合动力汽车和插电式混合动力汽车正在使用 48-V 等更高 PDN 电压。48V 电压符合许多系统要求的安全电气低电压 (SELV) 标准，而 P = V×I 和 PLOSS = I2R 的简单电源方程式也说明了高压 PDN 效率更高的原因。

对于给定功率水平而言，与 12V 系统相比，48V 系统电流低至1/4、功耗低 至1/16 。在 1/4 的电流下，线缆和连接器可能会更小、更轻，而且成本也很低。用于混合动力汽车的 48V 电池功率是 12V 电源的 4 倍，增加的功率可用于供电链应用，以减少 CO2 排放，提高燃油里程数并执行新的安全与娱乐特性。

数据中心新增人工智能 (AI)，使得机架功耗超过了 20kW，进而使得 12-V PDN 的使用变得笨重、低效。使用 48-V PDN 在这里带来的优势与混合动力汽车相同。在汽车和数据中心应用中，最好保留原有 12-V 负载及 POL 常用降压稳压器，以最大限度减少变化。

48V 符合 SELV 标准，因此非隔离固定比率转换器是 48V 至 12V DC-DC 转换的理想之选，因为当前的 PoL 12V 稳压器能够应对输入电压的变化。非隔离、未稳压固定比率转换器是最高效的大功率母线转换器，可降低功耗，提高功率密度并降低成本。其高密度有助于混合动力汽车使用最新分布式配电架构，其中非隔离固定比率转换器可布置在负载旁边，让整个汽车实现更小规模、更高效的 48-V PDN 走线。在刀片服务器中，小型非隔离式 48V 至 12V 固定比率转换器可布置在主板上靠近降压稳压器的位置。

许多全新 AI 加速卡，如 NVidia 的 SXM 以及开放式计算计划 (OCP) 成员的 OAM 卡，都设计为 48V 输入，因为 AI 处理器功耗在 500 至 750W 之间。仍然在其机架中使用 12V PDN 背板的云计算公司和服务器公司需要 12 至 48V 转换，才能使用这些高性能卡。为这些加速卡配备一款 K=1/4 的双向非隔离固定比率转换器，作为 12 - 48V 升压转换器 (K=4/1)，或为其配备一款更高功率的分布式 12 - 48V 模块，可使较早的机架系统集成 AI 功能。

需要隔离的高电压应用

现在，全世界都布置了 4G 无线电及天线塔，它们必须升级至新的 5G 系统，其功耗为 4G 设备 5 倍。4G PDN 为 48V，通过线缆从地面电源系统提供。如果 PDN 保持在 48V, 5G 设备功耗的显著增加将迫使使用大直径的沉重电源线。因此，电信公司目前正在考虑使用 380-VDC PDN 显著缩小线缆尺寸。

在升压模式下使用双向 K 1/8 固定比率转换器，可让地面 48V 电源系统向塔顶提供 380V 的电源（K：8/1）。塔顶的 380-V 至 48-V 稳压转换器，将允许 4G 和 5G 系统获得 48-V 稳压电源，并能让该系统通过 380-V 细小电线实现更低成本的供电。

系留无人机是另一种需要隔离的高压应用。系留无人机的电缆长度可以超过 400 米，无人机在飞行时必须提起这种线缆重量。使用诸如 800V 等高电压，有助于缩减系留电缆的尺寸和重量。一款紧凑型板载固定比率转换器，通常 K=1/16，可将电源降至 48V，用于机载电子产品和视频有效负载。

电动汽车具有很高的功率要求，因此 400V 是电池电压的常见选择。400V 随后转换为 48V，配送给动力系统及底盘周围的不同负载。为实现快速充电，400V 电池由具有 800VDC 稳压输出的充电站通过 800V 至 400V 的转换器充电。

图 5：分布式 48V 架构将多个功耗更低的更小转换器布置在接近 12V 负载的位置。

在 400/48-V 和 800/400-V 应用中，具有高功率密度、效率超过 98% 的一系列并联的隔离式 K：1/8(400/48) 和 K：1/2 (800/400) 固定比率转换器可高效工作。稳压既可在固定比率转换器前面执行，也可在其后面执行。此外，不提供稳压的功率密度和效率增益还可简化热管理。

百万兆级高性能计算 (HPC) 系统机架功率级通常高于 100kW，因此使用 380VDC 作为主要的 PDN。在这些应用中，K：1/8 与 K：1/16 的隔离式固定比率转换器可能集成在刀片服务器中，也可能集成在通过机架配电的夹层卡上，为主板提供 48V 或 12V 电源。随后通过 12-V 多相降压转换器阵列或更高效率的先进 48-V 至 POL 架构稳压。固定比率转换器的密度和效率又一次在使这类 PDN 架构实现高性能的过程中发挥重要作用。

图 6：Vicor NBM2317 可实现 48V 和 12V 之间的高效双向转换，因为它是一款双向转换器。双向性可将原有电路板整合在 48V 基础架构中，也可将最新 GPU 整合在原有 12V 机架中。

‍电源的高增长产业中的少数几个。这些应用有一个共同点：每个市场都有极大的电力需求，都可从高功率密度的小型 DC-DC 转换器中获得巨大优势：不仅可节省空间，而且还可减轻重量。电源系统工程师应当把固定比率转换器作为实现高性能 PDN 的重要高灵活途径，其可提供极具竞争力的整体系统性能优势。

本文最初由Power Electronic TIps   发表

以上为中译

Phil Davies
Vicor 全球销售与市场营销业务副总裁

Davies 先生自 2011 年 2 月份起，一直担任我们公司全球销售及市场营销副总裁。在加入公司之前，Davies 先生于 2010 年 9 月至 2011 年 2 月，在 OSRAM Sylvania 的固态光引擎业务部担任业务创新团队负责人。Davies 先生在 Analog Devices 公司担任过多个职务，最后曾担任全球业务开发总监，Analog Devices 公司是一家高性能模拟、混合信号及数字信号处理集成电路制造商。Davies 先生毕业于格拉摩根大学 (the University of Glamorgan)，获电力电子学士学位和硕士学位。