電力電子中的“摩爾定律”(1)

作者簡(jiǎn)介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來(lái)自上?？萍即髮W(xué)劉賾源的投稿。

著(zhù)名的摩爾定律中指出，集成電路每過(guò)一定時(shí)間就會(huì )性能翻倍，成本減半。那么電力電子當中是否也存在著(zhù)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 下降一半 ，這就是著(zhù)名的 “摩爾定律” 。

雖然最初是關(guān)于晶體管數量和成本的觀(guān)察性規律，但隨著(zhù)時(shí)間的推移，人們常常將摩爾定律與處理器性能的持續提升聯(lián)系起來(lái)。也就是說(shuō)，隨著(zhù)晶體管數量的增加，處理器性能也在相應地提升。這種觀(guān)點(diǎn)被普遍認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 數據中心供電 方面， 電力電子領(lǐng)域 是否也存在著(zhù)摩爾定律呢？答案顯然是 肯定 的，隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，電力電子也在朝著(zhù) 更高的功率和更小的體積發(fā)展。

圖一：Intel的“摩爾定律”

01

48V數據中心供電架構

近年來(lái)，數據中心供電應用方面，有一項顯著(zhù)的轉變是從傳統的 12V中心總線(xiàn)架構 向更先進(jìn)的 48V中心總線(xiàn)架構 的過(guò)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(xiàn)架構。

相較于12V架構，48V中心總線(xiàn)架構擁有一系列顯著(zhù)優(yōu)勢，包括 更高的傳輸效率、更長(cháng)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(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，數據中心中諸如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。這種需求與現代電路要在高頻率條件下工作的要求形成了挑戰，尤其是在追求更高功率密度的情況下。

02

傳統的逆變+整流

在2000年左右，針對低電壓，大電流的應用場(chǎng)景， 逆變器連接倍流整流器 (current doubler rectifier) 是主流的應用拓撲 [1] ，通過(guò)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 1 00-200kHz 。

從圖二（1）當中可以看到，倍流器需要兩個(gè)電感與一個(gè)變壓器共計3個(gè)磁性元件。在大電流應用場(chǎng)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）當中，電路板功率密度僅能達到 12.16W/inm3 。

(1) 電路拓撲

(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(chēng)半橋（AHB）電路具有更高的效率，而 AHB + current doubler rectifier 就是當時(shí)一種主流的逆變器連接整流器拓撲。與此同時(shí)，對比于A(yíng)HB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(guò)實(shí)際變壓器的等效模型可以觀(guān)察到，原邊的并聯(lián)電感可以利用變壓器的勵磁電感替代，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(jiǎn)化為 僅1個(gè)變壓器 的磁性元件，這無(wú)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(kāi)始逐漸運用于低電壓，大電流，高頻率的應用場(chǎng)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(guò)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。