通信服务器电源高效率高密度器件选型与拓扑

电源功率密度越来越高，相同体积功率翻倍，CRPS通用尺寸下WW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。在年时，看到的使用普通整流桥加BOOSTPFC，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ThinPAK8*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：PFCD2DMosTypeMagnetic第一代BOOST+CCMFBLLCAllTHDiscrete第二代TP+TCMFBLLCAllTH耦合电感第三代TP+TCM3HBLLC

SMD

BOT

耦合电感

磁集成

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ZVSZCS，确实让人眼前一亮。这个是可以用在产品上的！图1普通版本H公司3kW整流模块

图2高效版本H公司3kW整流模块BOT面

图3高效版本H公司3kW整流模块TOP面

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PCS，有产PCS，平台化之后，细节就决定了效益和市场的竞争力。图4CRPS服务器电源服务器电源，12V输出从46A到A的规格，即W→W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BOOSTPFC、TPPFC[1]、HBridgePFC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，SRMOSFET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HBLLC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PCBBot面？通过ThermalPad压接到外壳进行散热，

图5InfineonThinPak8*8Pakage(HVMosfet)

图6NexperiaCCPAK*12(HVMosfet)

图7InfineonThinPak8*8Pakage(HVMosfet)

图8的图组中是英飞凌

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