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数据中心应用的开关槽变换器高密度高效率的优化

摘要---本文提出了一种开关槽式变换器的设计方法，通过功率损耗分析，指出了元件优化的方向和途径。结果表明，当输出功率gt; 150w时，开关器件的导通损耗、印刷电路板损耗和电感损耗均显著增大。本文通过对四种开关的功率损耗进行了计算，并对开关器件的选择进行了比较。电容器经过精心设计，既能满足电流应力要求，又能满足纹波要求。另一方面，还对谐振电感的优化设计和PCB布局进行了充分的研究。给出了铁芯损耗模型，并对不同铁芯材料进行了比较，使铁芯损耗最小。在此基础上，设计了一种精密调谐的电感绕组结构，以实现最小的绕组损耗。此外，还对PCB布局进行了优化，使每个运行状态的环路长度都变短。在硬件水平优化的基础上，提出了一种改进的控制方法，即通过调节开关器件的导通时间来减小循环功率。为了验证所做的优化工作，搭建了STC样机并进行了测试。实验结果表明，该系统具有98.71%的效率和1000 W/in3的高功率密度。

关键词-数据中心，氮化镓，高功率密度,开关槽式变换器。

第一部分 介绍

由于云计算的复杂，庞大的需求数据存储和处理高清晰度的图片和视频等等，高频高效电源数据中心应用程序正在兴起。许多数据中心的建立是为了满足不断增长的需求软件存储需求。但与此同时，大量的能量被消耗。根据能源使用报告对数据中心应用[1]的测量，到2020年，美国数据中心的用电量将达到730亿千瓦时，占美国总用电量的1.8%以上。此外，电力供应和其他现场基础设施已占用越来越多的空间。超大规模数据中心中服务器的比例将从2005年的0%线性增长到2020年的40%。因此，对高功率密度、高效率的紧凑型电源有着很高的需求。

图1数据中心两级调压器(VR)结构应用程序。

传统的电力架构采用12 v总线设计，其体积大，效率低。为减少母线铜损耗和实现高效率，如谷歌[2]等行业领导者提出了更高电压的配电总线结构，命名48 V-bus电源架构，如图1所示。在图中,高交流电压电源先通过配电单元为每个服务器机架提供数据。然后，电源单元(PSU)，即由ac - dc加dc - dc变换器组成，转换ac电压到中间母线电压(40 - 60v电平)。然后,中间总线电压通常为48v，提供给服务器主板。对于每个服务器主板，都有一个两级电压调节器(VR)来产生一个1v的电源来支持负载点(POL)，如CPU和内存。这就是所谓的48 V-buspower体系结构。

48 V-bus电源架构的主要优点是总线损耗显著降低。次要的好处是消除在线UPS及相关电缆。在新的48 V-bus电源结构中，可以添加一个带有48v背板的本地直流UPS，而不是在线UPS。此外,一个切向的好处是，负载的瞬态响应对总线电压和其他负载的影响较小。

在48 v总线电源架构中，所有的处理器和内存设备是由48V总线供电，48V上的虚拟现实服务器主板是整个电源供应的基础系统。它们需要经过精心设计才能达高功率密度和高效率的目标。

一般来说，VR可以是单级结构[3]或两级结构[4]。两级结构具有部署灵活性好、暂态性能好、电压安全等优点，因此更受欢迎。如图1所示，5 - 12v总线通常由一级变换器从48v总线(额定电压为54 V)调节或不调节。第二相变换器通常称为POL变换器。[5]-[7]同相移零电压开关(ZVS)桥式非隔离降压器的第一阶段可采用不同类型的传统拓扑结构。这些传统的拓扑通常有较大的磁性元件，导致较大的转换器尺寸和高功率损耗。开关电容变换器是数据中心应用的良好候选[8]-[12]。

图2原来的开关电容转换器，有能力的ZCS和ZVS。

图2所示为有5个开关电容的变换器共振分支。该变换器可以在零电

流开关(ZCS)模式或ZVS模式下工作。在原有的开关电容变换器拓扑结构的基础上，最近提出了一种优化的拓扑结构，称为少磁开关槽变换器(STC)，如图3所示。可配合ZCS操作，降低设备切换损耗。由于在重载情况下，损耗主要由电容损耗和电容损耗两部分组成，所以即使在STC变换器中禁用了ZVS工作模式，也可以通过减少开关电容变换器的电感来提高效率。该系统还解决了原开关电容变换器的夹紧问题和变换器的设计难题，保证了变换器的高可靠性和正常运行。此外，更少的磁性有利于减少核心损耗，铜损耗，和系统体积。因此，STC转换器是很有前途的高功率密度、高效率电源。

图3为ZCS操作优化的STC的示意图。

在电压比为6:1的STC变换器中，两个谐振支路被电容相对较高的电容组所取代。使用STC概念，可以删除图2中变换器中所有突出显示的组件。图4为STC与原开关电容变换器的尺寸对比图。从图中可以看出，STC的密度比原电路高18.3%。

图4原开关电容器的尺寸比较以及所提出的STC变换器。

本文的研究范围主要集中在对STC变换器的元件进行优化，以提高系统的效率和功率密度。

本文组织如下。第二部分进行了功率损耗的击穿分析，给出了开关器件和谐振电容器的选择。其次，使用ANSYS Maxwell平台对STC变换器中的平面电感进行了优化设计。此外，给出了PCB版图设计和PCB铜损耗降低的仿真结果。在第三部分，介绍了STC转换器的样机和实验结果。且把本文的结果与最新的报告进行了比较。最后，第四部分对本文进行总结。

第二部分STC中组件的优化

本文的设计过程如图5所示，为输入/输出规格和ZCS工作模式的STC变换器的设计。

图5 STC变换器的设计过程。

在图3中，本文研究的STC电路按开关器件可分为两部分，即边沿部分和

桥接部分。机翼侧包含六个开关器件(S1 -S6)，而桥由10个器件组成(S7 -S16)。此外，还有三个平行的共振分支连接桥上S7、S9、S11开关。每个支路由一个谐振电容器(Cn, n = 1,3,5)和一个谐振电感(Ln, n = 1,3,5)组成。此外，还有两个并联的非谐振电容器(Cn, n = 2,4)与桥上的开关S8和S10相连。非谐振电容器又称槽式电容器。

图6 STC的功率损耗分析。

STC变换器的功率损耗是由以下几个部分引起的:开关器件损耗、PCB损耗、平面电感损耗，谐振和非谐振电容损耗，输入和输出电容器损耗。图6总结了损耗评估和各部分的贡献，其中开关部分器件损耗分为Coss损耗、栅极驱动器损耗和导通损耗，平面电感损耗分为磁芯损耗和ac铜损。在轻载条件下(输出功率lt; 150w)，开关损耗占主导地位，如图6所示。另一方面，当输出功率gt; 150w时，开关器件的导通损耗、电感损耗、PCB损耗均超过开关损耗，成为功率损耗的主导。所以在此基础上，本文提出了通过开关器件、ca导频器、谐振电感器和PCB布局的设计方法，实现系统效率的优化。值得一提的是，在[15]的大部分时间里，数据中心的cpu都是在20%-50%的满负荷下运行，本文所提出的变换器的设计和优化就是基于这个假设的。

A控制策略

首先，对于控制策略，本文采用开环控制。为了实现STC变换器的ZCS运

行，降低开关器件的功率损耗，需要开关频率与谐振槽的谐振频率相匹配，其计

算公式如下:

（1）

其中fs为开关频率，fr为由谐振支路决定的谐振频率。STC的基本工作原理

可以用两种状态，其等效电路如图7(a)所示和(b)。脉冲宽度调制(PWM)控制信号

(50%占空比)和电流/电压波形翼侧装置如图8(a)所示。

(a) （b）

图7 STC的工作原理。(a)状态1的等效电路。(b)状态2的等效电路。

图8 STC的仿真结果。(a)翼侧器件PWM控制信号及电流/电压波形。(b)设备波形电流，非谐振电容，谐振电感电流。(c)所有电容电压波形。(d)电压波形桥式装置和机翼侧装置。

在状态1中，如图7(a)所示，所有标记为奇数(Sn, n = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15)的红色器件都处于开启状态。在这种状态下，直流电源充电C5和Cout。槽式电容器C4充电C3和Cout。类似地，槽式电容器C2充电C1和Cout。

在状态2中，如图7(b)所示，所有蓝色偶数标记的设备(Sn, n = 2,4,6,8,10,12,14,16)都处于开启状态。在这种状态下，谐振电容器C5充电罐电容器C4和Cout。C3充电C2和Cout。同样,C1充电Cout。

电容器Cn上的电压是Cnminus;1和Cout上的电压之和。如果输出电压为Vo，则Cn上的电压为n Vo。对于翼侧器件，S1和S6器件的最大电压为Vo，而其他器件(S2、S3、S4和S5)的最大电压为2 Vo。对于桥式器件，其最大电压应力均为Vo。

B开关装置和谐振电容器设计

为了设计变换器元件，必须知道每个开关装置、电容器和电感器的电流和电压波形。为此介绍了STC的详细仿真。仿真中使用的参数如表I所示。

表一仿真和实验中使用的参数

输入电压为60伏，输出电压为10伏。该变换器的额定功率为450w。根据基于额定电压的元件可用性，选择谐振电容为47nf。考虑到每个电容器可以流过大约5 A电流,每个谐振电容器组使用6个电容器，使每个谐振槽的谐振电容为2.82uf。因为高工作频率可以使无源元件体积大大减小，尤其是电感器，所以我们选择谐振频率为350 kHz左右作为初始情况，因此设计谐振电感为70nh。非谐振电容器槽是基于10mu;Ftimes;7 s介质的陶瓷电容器设计的。因为非谐振电容的ESR在谐振电容中高，所以每个非谐振电容组使用12个电容。为了使模拟更接近真实电路运行，我们在仿真中加入了一个50ns的死区时间。图8(b)为器件和电感器的电流波形。对于桥接器件，将两组器件旋转使其打开和关闭。机翼也是如此设置。

图8(c)为各电容器的电压波形。输入电压设置为60v, C5上的平均电压为C1，分别为50v、40v、30v、20v、10v。其中C1、C3、C5为谐振电容，为正弦波形。跨设备的电压也被捕获如图8(d)所示。在S2、S3、S4、S5上的最大电压应力为20v，在S2、S3、S4、S5上的最大电压应力为20v，其他设备是10v。

为在工作条件下选择最佳的开关装置，比较了四种可能的开关器件的功率损耗，如图9所示。从图中可以看出，GaN器件EPC2023在整个工作范围内的功耗最低。表二列出了所有经过比较器件的详细参数。两个30 V额定装置和两个60 V额定装置进行比较。比较60v额定装置的主要原因是，它们可能在轻负载或重负载下提供更低的功率损耗，因为它们具有更低的Coss或Rds on。

此外，对于电容器的设计，具有I类的特点和II类电容器的比较见表三。本设计选用II类材料的谐振电容器是因为当直流偏置时，它的电容变化很小电压。

图9半导体功率损耗比较 表2 开关设备候选参数

表三谐振电容的比较

C.谐振平面电感优化

为了进行电感器的优化设计，首先要分析流经所有进线导管的电流波形。变换器的平均输出电流为Iout。由于有6个开关直接连接到转换器输出，且它们的电流波形相同，因此可以通过(2)计算出每个开关设备的平均电流。由于电流通过开关时的波形是正弦的，所以很容易得到以Isw pk为代表的正弦波形的峰值。电感电流波形的峰峰值可由式(3)导出。当忽略谐振回路中的寄生电阻时，电感电流可表示为(4)。

（2）

（3）

（4）

电感器的设计主要有两个方面。首先，正确选择磁芯材料，尽量减少磁芯损耗。其次，通过调整PCB绕组的布局来优化谐振电感的铜损耗是STC高效运行的关键。注意，本文所使用的分析方法也可以用来评价不同的芯心和形状。为了减小铁芯损耗，在不同的开关频率下比较不同的铁芯材料。图10为磁铁公司P 材料、F 材料、J材料与Ferroxcube公司3C94、3F3的对比结果。计算铁芯损耗密度的广义方程由式(5)给出，不同厂家可以得到不同铁芯材料的参数a、b、c。表4为五种核心材料的信息。

表4五种核心材料信息

图10不同开关频率下的磁芯损耗

(6)给出了用P材料计算铁芯损耗密度的公式。注意，f是开关频率，B是磁通量密度。利用磁芯损耗密度信息和磁芯体积信息(Vcore)，可以计算出磁芯的总损耗，如式(7)所示。假设设计的铁芯形状与磁力公司1106UC和1106IC相同,从图10可以看出，P材料和3F3材料的核心损耗比其他两种材料的要低。本文选用P材料。利用电感电流的峰值，可以计算出磁芯的最高磁通密度(8)。当开关频率fs = 340 kHz，堆芯体积Vcore = 283 mm3时，P材料堆芯计算出的单芯损耗约为280 mW。

（5） （6）

（7）

（8）

此外，电感损耗的优化是STC变换器电感设计的另一个重要方面。利用ANSYS Maxwell三维软件构建了谐振电

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