介绍：高效电力转换感谢作者和科罗拉多大学博尔德分校 | CUB · 电气、计算机和能源工程系 (ECEE) 的贡献。

随着对云计算和大数据处理需求的急剧增加，美国数据中心的电能消耗预计到2020年将达到730亿千瓦时 [1]，约占美国总电能消耗的10%。其中很大一部分消耗是由于效率低下的电力传输架构造成的损失，这需要引起足够的关注以进行改进 [2], [3]。

48V总线架构的兴起和双电感混合转换器 (DIHC)

随着更高要求的数字负载需要的分配电流不断增加，传统的12V总线架构暴露出更高的损耗、复杂性和互连及电力传输网络的成本问题。为了解决这些问题，48V总线架构已成为新的行业标准。谷歌、惠普和其他知名数据中心设计者和用户计划采用这种更高电压的架构 [4]。然而，从48V到处理器核心电压（约1-1.8V）的巨大转换比给电压调节模块 (VRM) 的设计带来了重大挑战，需要在CPU附近实现高效率和高功率密度 [5], [6], [7]。

一种新的双电感混合转换器 (DIHC)，源自Dickson开关电容转换器 [8]，如图1所示，在文献 [9] 中提出，旨在有效解决传统方法的缺点。DIHC，如图2所示，在输出端采用两个交错的电感器，并去除了图1中所示的混合Dickson转换器中的两个大同步开关S9和S10。这些转换器设计的改进使得DIHC相比于文献 [8] 中的混合Dickson转换器，具有近两倍低的开关和浮动电容导通损耗的DC输出阻抗贡献，从而减半了导通损耗。

此外，具有自然自平衡电流的两个交错电感器为DIHC提供了多相转换器的同样好处，可应用于高电流应用而无需额外的电流平衡复杂性 [10]。DIHC还可以采用分相操作来实现所有电容器的完全软充电 [8]。有关电路操作和稳态特性的详细分析已记录在文献 [9] 中。

图1：6对1混合Dickson转换器的原理图 [8]

图2：6对1双电感混合转换器的原理图 [9]

DIHC的一个关键优势是所有的浮动电容器都通过电感电流软充放电，而没有硬充电模式。由于浮动电容器实现了完全软充电，DIHC可以显著减少电容器的尺寸，而无需增加开关频率，这在传统开关电容转换器中是减少电容器尺寸的基础，但以开关损耗为代价（折衷）。

此外，由于减小了开关电压，如图2中的v_x1和v_x2，电感器的尺寸也可以优化，以适应高功率密度，与三电平或多电平拓扑类似 [11], [12]。通过优化尺寸的小电容器和电感器，DIHC将导致高功率密度的电力转换，并在高功率和高电流应用中具有很高的潜力。

这一新的转换器拓扑通过一个20W、48V VRM原型进行了验证。图3显示了关键组件的印刷电路板实施方案。组件选择和规格如表1所示。图4和图5展示了在48V-1.6V / 5A下运行的原型的关键操作波形。

在图4中，两个交错电感器电流自然平衡，无需额外的平衡控制。图5捕获了稳态操作中的浮动电容器电压。正如之前的工作 [9] 中分析的那样，所有电容器都通过电感电流和分相操作进行软充电，没有传统开关电容转换器中硬充电导致的显著电压跳变。

图3：6对1双电感混合转换器原型

表1：电路组件和参数

图4：在48V-1.6V / 5A负载下的原型操作波形

图5：在48V-1.6V / 5A负载下的浮动电容器电压波形

图6展示了原型转换器在不同输出电压下的测量效率，从1V到2V，当工作在48V输入时，图7显示了输入电压范围从40V到54V到1.8V输出时的测量效率。由于合理的导通时间和优异的开关利用率，所有电容器的软充电，以及交错的好处，转换器可以超过95%的峰值效率，并考虑关键功率转换组件，实现225W/英寸³的功率密度。值得一提的是，在数据中心应用中，当负载低至20%时，转换器效率仍保持在90%以上，而轻负载效率对于节能非常重要。

图6：48V输入下不同输出电压的测量效率

图7：1.8V输出时不同输入电压的测量效率

表2比较了当前最先进的48V核心应用技术，并突出了DIHC的优越效率和相对简单的结构（较少的有源元件）。简单的操作和增加的占空比（开关导通时间）为进一步提高此架构的转换器功率密度提供了很大潜力。

表2：DIHC与数据中心不同解决方案的比较

结论

提出了一种使用两个交错电感器的新型混合转换器，具有高效率和高功率密度。通过简化电力转换结构，进而消除两个自由轮回开关，转换器在开关和电容器导通损耗方面比混合Dickson转换器的输出阻抗提高了约两倍。

交错双输出电感器为高电流应用带来了多相交错架构的好处，通过浮动电容器的稳态操作自然平衡电感电流。一个20W概念验证原型验证了转换器的理想操作和特性，峰值效率超过95%，并且功率密度达到225W/英寸³。

参考文献

[1]  S. Arman 等，“美国数据中心能源使用报告”，劳伦斯伯克利国家实验室，2016年。

[2]  A. Pratt, P. Kumar 和 T. V. Aldridge，“评估电信和数据中心中400V直流分配以提高能源效率”，IEEE国际电信能源会议，2007年，pp. 32-39。

[3]  M. H. Ahmed, C. Fei, F. C. Lee 和 Q. Li，“用于未来数据中心的具有PCB绕组矩阵变压器的48V电压调节模块”，IEEE工业电子学报，vol. 64, no. 12, pp. 9302-9310, 2017。

[4]  C. Wang 和 P. Jain，“48V DC和380V DC分配系统在数据中心中的定量比较与评估”，电信能源会议（INTELEC），2014年IEEE第36届国际会议，2014年，pp. 1-7。

[5]  Y. Zhang, D. Xu, M. Chen, Y. Han 和 Z. Du，“用于48V至0.9V VRM的LLC谐振转换器”，IEEE电力电子专家会议，2004年，Vol.3, pp. 1848-1854。

[6]  M. Ye, P. Xu, B. Yang 和 F. C. Lee，“48V VRM拓扑候选的研究”，IEEE应用电力电子会议与博览会，2002年，pp. 699-705。

[7]  S. Oliver，“从48V直接到Intel VR12.0：每个数据中心节省‘大数据’50万美元”，Vicor白皮书（在线），2012年7月。

[8]  Y. Lei, R. May 和 R. Pilawa-Podgurski，“分相控制：实现Dickson开关电容转换器的完全软充电操作”，IEEE电力电子学报，vol. 31, no. 1, pp. 770-782, 2016。

[9]  G.-S. Seo, R. Das, ad H.-P. Le，“一种95%效率的48V到1V/10A VRM混合转换器，使用交错双电感器”，IEEE应用电力电子会议与博览会 (ECCE), 2018年，pp. 3825-3830。

[10]  D. Baba，“多相降压转换器的优点”，德州仪器公司，2012年。

[11]  G. S. Seo 和 H.-P. Le，“用于未来智能电力电缆的无电感混合降压DC-DC转换器架构”，IEEE应用电力电子会议与博览会 (APEC), 2017年，pp. 247-253。

[12]  Y. Lei 等，“一种2千瓦单相七电平飞行电容多电平逆变器，带有主动能量缓冲器”，IEEE电力电子学报，vol. 32, no. 11, pp. 8570-8581, 2017年11月。

[13]  J. S. Rentmeister 和 J. T. Stauth，“一种48V:2V飞行电容多电平转换器，使用电流限制控制以平衡飞行电容”，IEEE应用电力电子会议与博览会 (APEC), 2017年，pp. 367-372。

[14]  M. Ahmed, C. Fei, F. C. Lee 和 Q. Li，“高效率高功率密度48/1V Sigma转换器电压调节模块”，2017年IEEE应用电力电子会议与博览会 (APEC)，2017年，pp. 2207-2212。

Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing