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通信服务器电源高效率高密度器件选型与拓扑演进

 服务器电源

  电源功率密度越来越高,相同体积功率翻倍,CRPS通用尺寸下2400W 3000W功率等级的服务器电源已经批量。功率密度的提升,功率器件往SMD方向演进,从半导体厂家到电源设计厂家,均在往此方向努力。高频化与成本、性能平衡又是一个挑战。

  通信行业内54V一次电源,3kW的整流电源效率从96%→98%。下面我们一起基本技术分析其具体的技术与结构的演进,其中部分观点是个人认知,如有误,轻拍。

  下图1中,应属于第二代,PFC部分使用TP拓扑,TCM控制模式,ZVZCS ,从电感占的体积就能看出不是CCM控制方案;D2D部分使用普通LLC,一次侧串联二次侧并联,来降低磁件的高度。在2015年时,看到的使用普通整流桥加BOOST PFC,D2D采用结构与图1一致;图2和图3是第三代高效的版本,相比较于第二代,拓扑上改进由全桥LLC改为,三相半桥交错LLC,变压器和谐振电感均采用磁集成方案。整体结构创新较大的是均采用ThinPAK 8*8的MOSFET,从产能可靠性以及生产工艺上是一次飞跃型的创新(允许使用这个评价,产品最终均归结到生产性和供应链上,出货才能有效益,工艺简化提高产能是产品不可或缺的条件)。

  拓扑和主要功率器件简单总结如下:

  从表格中可以看出,从15年到目前的第三代,技术迭代的路线很清晰,安功率级逐步替代。但是未使用宽禁带器件(18年左右宽禁带器件可靠性和供货毕竟还处于推广期),TP拓扑的PFC在行业应用中是比较大的创新:使用当前现有的Si器件功率,从控制方案选TCM控制策略实现ZVS ZCS,确实让人眼前一亮。这个是可以用在产品上的!

  MOSFET的选型的等级(Rdson或者电流),决定功率等级,但是从可生产性(工艺)与整机电气性能上进行比较差异就较大。半导体器件对大部分的电源厂家都是公平的,但磁件的结构和设计差异比较大,各有千秋,各具特色,但是目前趋势便是如何自动化生产,毕竟CRPS是标品。产品的差异点就是如此:自动化产线有单线可产1000PCS,有产1300PCS,平台化之后,细节就决定了效益和市场的竞争力。

  服务器电源,12V输出从46A到250A的规格,即550W→3000W功率等级。目前云服务器主力供应商,阿里云,腾讯云,百度云,华为云均是客户,但是目前国内是阿里云独占鳌头。

  PFC的技术演进,主要以BOOST PFC 、TP PFC[1]、H Bridge PFC架构,由于其需要兼容90Vac输入其体积无法扩大,整体使用CCM居多,单周期和乘法器控制均均有使用。D2D的整体的技术演进,主要还是以LLC 或者PSFB的架构,小功率的新设计方案基本被LLC的架构占领,毕竟少两个MOSFET,输出MOS的电压应力也小,SR MOSFET 在使用的40V, 45V的规格已经在多相BUCK板载电源中完成了成本降级,大功率的类型,PSFB 和LLC方案均有使用。LLC大功率的由于没有输出电感,结构集成上比较好处理,但是纹波电流占比始终是问题。两相交错LLC的方案在矿机,CPRS等行业中已经开始逐步推开,当然还有三相HB LLC的架构也逐步开始下沉,毕竟功率密度的需求,以及电源厂商的Roadmap会不会继续演进……

  下图中图5~图7是近几年,半导体厂商新演进的高压mosfet的封装技术,图5是有近10年历史的ThinPAK 封装依然是SMD 高压Mosfet中的骄子。单封装的大容量化是半导体工艺器件的本身迭代,但有一个相同的方向:可以使用自冷散热的方案,散热面可以自己选择,置于PCB Bot面?通过Thermal Pad压接到外壳进行散热,

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