使用固定比率轉(zhuǎn)換器提高供電網(wǎng)絡(luò)效率
發(fā)布時(shí)間:2020-03-23 來源:Phil Davies,Vicor 公司 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】絕大多數(shù)機(jī)電負(fù)載或半導(dǎo)體負(fù)載都需要穩(wěn)定的 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換及嚴(yán)格的穩(wěn)壓,才能可靠運(yùn)行。執(zhí)行該功能的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常稱作負(fù)載點(diǎn) (PoL) 穩(wěn)壓器,設(shè)計(jì)時(shí)具有最大輸入電壓及最小輸入電壓規(guī)格,其規(guī)格定義了它們的穩(wěn)定工作范圍。這些穩(wěn)壓器的供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的復(fù)雜性可能會(huì)因負(fù)載的數(shù)量和類型、整體系統(tǒng)架構(gòu)、負(fù)載功率級(jí)、電壓等級(jí)(轉(zhuǎn)換級(jí))以及隔離和穩(wěn)壓要求的不同而不同。
許多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將穩(wěn)壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器視為整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但將合適的電壓提供給負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器,不一定都需要 PDN 穩(wěn)壓,或者對(duì)于中間配電母線電壓而言 PDN 穩(wěn)壓并不那么重要??紤]這一點(diǎn)時(shí),電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮應(yīng)用固定比率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,它可顯著的提升PDN 的整體性能。
如何優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)
PDN 性能通常以功耗、瞬態(tài)響應(yīng)、物理尺寸、重量及成本來衡量。影響 PDN 性能的一個(gè)主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是電壓轉(zhuǎn)化的比例和高精度的線/負(fù)載調(diào)整率。工程師花了大量的時(shí)間來處理大量不同的輸入/輸出 電壓轉(zhuǎn)化率,動(dòng)態(tài)調(diào)整率以及分布特性來提高性能和可靠性。
如果系統(tǒng)負(fù)載功耗處于千瓦級(jí)范圍內(nèi),采用高壓設(shè)計(jì)大容量 PDN,可減少在系統(tǒng)中的電流等級(jí) (P=V•I),因此可以縮小 PDN 尺寸,減輕重量并降低成本(線纜、母線排、主板銅箔電源層)(PLOSS = I2R)。在轉(zhuǎn)換為低壓/大電流前,最大限度延長高電壓運(yùn)行時(shí)長,盡可能接近負(fù)載,是一大優(yōu)勢(shì)。
但要讓高壓、高功率 PDN 接近負(fù)載,則需要具有高效率及高功率密度的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。如果輸入至輸出電壓轉(zhuǎn)換比例很大,例如 800V 或 400V 轉(zhuǎn) 48V,最高效率的轉(zhuǎn)換器是提供非穩(wěn)壓的固定比率轉(zhuǎn)換器。這些高效率的轉(zhuǎn)換器,不僅可提供更高的功率密度,而且還因較低的功耗,可提供更便捷的熱管理。
何為固定比率轉(zhuǎn)換器?
固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理與變壓器類似,但它執(zhí)行的不是 AC-AC 轉(zhuǎn)換,而是 DC-DC 轉(zhuǎn)換,輸出電壓為 DC 輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣,這種轉(zhuǎn)換器不提供輸出電壓穩(wěn)壓,輸入至輸出變壓由器件的“匝數(shù)比”決定。該匝數(shù)比稱為 K 因數(shù),表示為一個(gè)相對(duì)于其電壓降壓能力的分?jǐn)?shù)。K 因數(shù)從 K=1 到 K=1/72 不等,可根據(jù) PDN 架構(gòu)及 PoL 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行選擇。
圖A:雙向固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理。 K=1/16 的降壓換器,也可用作 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器。
典型 PDN 電壓有低電壓 (LV)、高電壓 (HV) 和超高電壓 (UHV)。
固定比率轉(zhuǎn)換器可以是隔離的,也可以不是隔離的,而且可通過反向電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)雙向功率流。例如,一款支持雙向功能的 K=1/16 固定比率轉(zhuǎn)換器可以作為一款 K=16/1 的升壓轉(zhuǎn)換器。
額外的設(shè)計(jì)靈活性包括易于并聯(lián)(可滿足更高功率的電源要求)和串聯(lián)轉(zhuǎn)換器輸出的選項(xiàng)(可通過有效改變 K 因數(shù),提供更高的輸出電壓)等。
圖 B:BCM 轉(zhuǎn)換器易于并聯(lián),滿足更高的電源需求。
眾多終端市場及應(yīng)用的電源需求急劇上升,因此供電網(wǎng)絡(luò)正在經(jīng)歷重大變革。由于新特性的增加以及性能水平的不斷提升,更高的 PDN 電壓(如 48V)正在用于電動(dòng)汽車、輕型混合動(dòng)力車以及插電式混合動(dòng)力汽車。48V 符合許多系統(tǒng)要求的安全電氣低電壓 (SELV) 標(biāo)準(zhǔn),而 P=V•I 和 PLOSS=I2R 的簡單電源方程式也說明了高壓 PDN 效率更高的原因所在。
圖 C:輸出串連以提高輸出電壓的 BCM 可實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性。
對(duì)于給定功率級(jí)而言,與 12V 系統(tǒng)相比,48V 系統(tǒng)電流為1/4、線路功耗低為1/16 。在 1/4 的電流下,線纜和連接器可以更小、更輕,而且成本也會(huì)更低。用于混合動(dòng)力汽車的 48V 電池功率是 12V 電池的 4 倍,增加的電源可用于動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用,以減少二氧化碳排放,提高燃油里程數(shù)并增加新的安全及娛樂特性。
在數(shù)據(jù)中心機(jī)架中增加了人工智能 (AI),使機(jī)架電源需求提高到了 20kW 以上,因此12V PDN的使用 既笨重,效率又低。使用 48V PDN,可獲得與混合動(dòng)力汽車相同的優(yōu)勢(shì)。在汽車及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中,最好保留原有 12V 負(fù)載及 POL 常用降壓穩(wěn)壓器,以最大限度減少需要修改的內(nèi)容。
使用非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器解決實(shí)際問題
48V 符合 SELV 標(biāo)準(zhǔn),因此非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器是 48V 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)的理想之選,因?yàn)楫?dāng)前的 PoL 12V 穩(wěn)壓器能夠應(yīng)對(duì)輸入電壓的變化。非隔離、非穩(wěn)壓固定比率轉(zhuǎn)換器是最高效的高功率母線轉(zhuǎn)換器,可實(shí)現(xiàn)更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。這一高密度有助于最新分布式配電架構(gòu)用于混合動(dòng)力汽車,其中非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器可布置在負(fù)載旁邊,因此可在汽車周圍最大限度運(yùn)行更小、更高效的 48V PDN。在刀片服務(wù)器中,這種小型非隔離式 48V 至 12V 固定比率轉(zhuǎn)換器可以布置在靠近降壓穩(wěn)壓器的主板上。
許多全新 AI 加速卡(如 NVidia 的 SXM 以及開放式計(jì)算計(jì)劃 (OCP) 成員的 OAM 卡)都設(shè)計(jì)有 48V 輸入,因?yàn)?AI 處理器功率級(jí)在 500 至 750W 之間。要讓依然在其機(jī)架中使用 12V PDN 背板的云計(jì)算及服務(wù)器公司使用這些高性能卡,就需要實(shí)現(xiàn) 12V 至 48V 的轉(zhuǎn)換。在這些加速卡上(或在更高功率的分布式 12V 至 48V 模塊中)增加一款雙向 K=1/4 非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器,作為 12V 至 48V 升壓轉(zhuǎn)換器 (K = 4/1),可輕松將 AI 功能帶入老式機(jī)架系統(tǒng)。
圖 D:原有系統(tǒng)的 48V 電源
Vicor NBM2317 可將 48V 高效轉(zhuǎn)換為 12V,也可將 12V 高效轉(zhuǎn)換為 48V,因?yàn)?NBM 是一款雙向轉(zhuǎn)換器。雙向性可將原有電路板整合在 48V 基礎(chǔ)架構(gòu)中,也可將最新 GPU 整合在原有 12V 機(jī)架中。
如何滿足需要隔離功能而且要求苛刻的高電壓應(yīng)用需求
電動(dòng)汽車
在電動(dòng)汽車應(yīng)用中,電源需求決定了電池電壓必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前混合動(dòng)力汽車使用的 48V,通常選擇 400V。400V 轉(zhuǎn)換為 48V,配送給動(dòng)力總成及底盤周圍的不同負(fù)載。為支持快速充電,400V 電池由提供穩(wěn)壓 800V DC 輸出的充電站通過 800V 至 400V 轉(zhuǎn)換器充電。
圖 E:分布式 48V 架構(gòu)將多個(gè)功耗更低的更小轉(zhuǎn)換器布置在接近 12V 負(fù)載的位置。
在 400V/48V 及 800V/400V 應(yīng)用中,由于功率要求高,可有效地使用具有高功率密度、效率在 98% 以上的隔離式 K:1/8(400/48) 及 K:1/2 (800/400) 固定比率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)陣列。穩(wěn)壓可在固定比率轉(zhuǎn)換器級(jí)前面或者后面提供。未穩(wěn)壓的功率密度及效率提升,不僅在這一極高功率應(yīng)用中的這個(gè)位置效果顯著,而且還可簡化熱管理。
高性能計(jì)算
高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)機(jī)架功率級(jí)通常高于 100kW,因此使用 380VDC 作為主要 PDN。在這些應(yīng)用中,K:1/8 與 K:1/16 的隔離式固定比率轉(zhuǎn)換器集成在服務(wù)器刀片中或通過機(jī)架配電的夾層卡上,為主板提供 48V 或 12V 電源。隨后由 12V 多相降壓轉(zhuǎn)換器陣列或更高效率的高級(jí) 48V 至 POL 架構(gòu)提供穩(wěn)壓。固定比率轉(zhuǎn)換器的密度和效率又一次在實(shí)現(xiàn)這類 PDN 架構(gòu)中發(fā)揮重要作用,可實(shí)現(xiàn)高性能。
系留無人機(jī)
另一項(xiàng)需要隔離的高電壓應(yīng)用就是系留無人機(jī)。系留無人機(jī)的電源線長度可能會(huì)超過 400 米,無人機(jī)必須將其提起并保持,才能達(dá)到其飛行高度。使用 800V 等高電壓,可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本,從而可實(shí)現(xiàn)性能更高的無人機(jī)。使用板載固定比率轉(zhuǎn)換器(一般 K=1/16)轉(zhuǎn)換至 48V,可提供非常高效的極小供電解決方案,充分滿足機(jī)載電子產(chǎn)品及視頻有效載荷的需求。
圖 F:電壓越高,電線就越輕,系留無人機(jī)飛得就越高。
5G 通信
現(xiàn)在,全世界的都在提升4G 無線電和天線塔為之前 4G 設(shè)備5倍的最新 5G 系統(tǒng)。4G PDN 為 48V,通過線纜從地面電源系統(tǒng)提供。新增 5G 設(shè)備,功率級(jí)顯著提升,如果 PDN 要保持在 48V 電壓下,那直徑就會(huì)非常大,電線就會(huì)很重。電信公司正在研究使用 380VDC PDN 的優(yōu)勢(shì),以顯著縮小線纜尺寸。在升壓模式下使用雙向 K 1/8 固定比率轉(zhuǎn)換器,地面 48V 電源系統(tǒng)可向塔頂提供 380V 的電源(K:8/1)。4G 和 5G 系統(tǒng)在塔頂使用 380V 至 48V 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器,不僅可獲得 48V 穩(wěn)壓電源,而且還可通過 380V 細(xì)小電線實(shí)現(xiàn)更低成本的供電。
固定比率轉(zhuǎn)換器為高性能應(yīng)用提供高度靈活的 PDN 設(shè)計(jì)
高性能電源需求在不斷上升。企業(yè)及高性能計(jì)算高級(jí)系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)駕駛汽車以及大量交通運(yùn)輸應(yīng)用只是需要更多電源的高增長產(chǎn)業(yè)中的幾個(gè)。這些市場有一個(gè)共同的特點(diǎn):每個(gè)市場都有極大的電力需求,它們都可從高功率密度的小型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案中獲益,節(jié)省空間并減輕重量。電源系統(tǒng)工程師應(yīng)當(dāng)把固定比率轉(zhuǎn)換器作為實(shí)現(xiàn)更高性能 PDN 的重要高靈活解決方案,以在整體系統(tǒng)性能方面獲得競爭優(yōu)勢(shì)。
作者 Phil Davies,Vicor 公司全球銷售及市場營銷副總裁
Vicor 是一家領(lǐng)先的全球電源模塊技術(shù)公司,始終致力于為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供高級(jí)、高性能模塊化解決方案,幫助他們應(yīng)對(duì)最艱巨的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們始終站在配電架構(gòu)、轉(zhuǎn)換拓?fù)浼胺庋b技術(shù)的最前沿,不斷提高 Vicor 電源模塊的密度、效率和供電能力。此外,我們還可為我們的基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)及汽車應(yīng)用客戶帶來競爭優(yōu)勢(shì),幫助他們快速推進(jìn)其獨(dú)特的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 中微公司成功從美國國防部中國軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索