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2023-10-24

英飞凌新型非隔离48V电源转换拓扑
作者：Mario Ursino博士，48 V创新实验室员工系统创新工程师，Roberto Rizzolatti博士，48 V创新实验室高级员工系统创新经理，英飞凌科技

引言

数据中心消耗大量电力，这意味着即使是性能效率的最微小改进也会转化为显著的电力节约。
本文探讨了英飞凌的两种新型功率转换拓扑结构——双级可调混合开关电容器（DR-HSC）转换器和可调混合切换电容器（RHSC）转换器，后者将混合开关电容（HSC）与可调级相结合。它讨论了在处理48V到12V调节转换时，调节中间总线转换器设计中的挑战。最后，展示了英飞凌的OptiMOS™ Source-Down MOSFET能够在这些48V降压拓扑中提高功率转换效率和密度。

数据中心的电源转换架构

两种最常见的48V数据中心电源架构如图1所示。

图1：数据中心电源架构。用于高密度应用的无管制IBC，如AI、加速器卡（左）和12V管制共轨（右）

第一种方法使用非稳压中间总线转换器（IBC）优化数字负载（GPU/CPU）的效率，在第二级由稳压模块（VRM）执行调节。这种配置主要用于AI和加速器卡，其中功率密度至关重要。
第二种方法使用稳压IBC将48V转换为12V，这是机架级服务器板上的多个外围设备始终需要的。本文中提出的新型IBC拓扑结构适用于这种架构，旨在提供一个稳压12V电源轨，而不影响效率或功率密度。

DR-HSC：降低稳压转换器中的开关频率和输出电感尺寸

在通过输出电感器处理能量的转换器中，提高功率密度需要降低其磁通量。英飞凌的DR-HSC转换器（图2）通过使用级联开关电容器架构，实现了电感器尺寸的减小，实现了开关频率的降低，并选择了低高度和低DCR电感器。这是通过用输入电压的缩放版本激励输出电感器来实现的。

图2：英飞凌的48 V至12 V DR-HSC两级调稳压转换器

DR-HSC转换器的第一级基于零电压开关（ZVS）电容器转换器解决方案。它在谐振模式下运行，其中串联谐振回路由飞跨电容以及MOSFET和PCB的寄生电感形成，从而实现零电压切换。
ZVS电感器L_ZVS与串联的隔直流电容器一起用于实现零电压切换。第一级有效地将输入电压减半。在第二级，双相三电平降压转换器通过小电感器L_bal实现了高电流域的高效率和功率密度以及无源电容器平衡。
作为双相降压转换器，它可以为多电平桥使用两个脉宽调制（PWM）信号，每个信号相移180°，产生四个PWM信号：两个用于等效高侧，两个用于低侧。附加平衡电感器的大小取决于转换器的输出电压和频率。
这是一个三电平飞跨电容转换器，因此输出电流纹波是开关频率的两倍；尽管如此，转换器在48V时具有几乎为零的电流纹波。当输入变化时，如图3所示，三电平降压用V_mid、V_mid/2或接地的脉冲驱动输出电感器。两相/单电感操作在第二级强制电容器平衡：在每个开关周期中，C_fly1和C_fly2串联，因此它们的总电压必须为Vmid，而平衡电感确保它们的电压也等于V_mid/2。

图3：降低48V至12V稳压转换器的开关频率和输出电感

图4的600 W原型板证明了该解决方案的有效性：第一级和第二级的峰值效率均高于99%，总峰值效率约为98%，功率密度为1 kW/立方英寸。平衡电感器位于两个飞跨电容之间，因此这种板设计易于实现。第二级使用英飞凌的OptiMOS™功率MOSFET 40V Source-Down和OptiMOS™ 功率MOSFET 25 V Drain-Down实现了第一级的高效率。两个级都使用英飞凌的XDP™ XDPP1100数字控制器进行控制，其封装为4 mm x 4 mm，具有PMBus功能。

图4：英飞凌的600 W 48 V至12 V DR-HSC原型板

RHSC：半稳压可实现48V至12V的极端功率密度

英飞凌的4:1 RHSC稳压转换器将自耦变压器的高功率密度与升压转换器的稳压能力相结合。这些拓扑通常被称为Sigma（通常用于表示求和）或ISOP（输入串联、输出并联）。事实上，这些电路的输入电流是相同的，而输出被短路。
如图5所示，输入电压被分流，有利于非稳压转换器，因此80%的处理功率流经高效和高密度的路径。只有20%的功率用于稳压12V。

图5：英飞凌的48 V至12 V RHSC稳压转换器

因此，总转换器效率是输入电压的加权平均值，由高效电路主导。与经典的西格玛转换器不同，西格玛电容器C_s1和C_s2强制执行输入串联行为，如图6所示。

图6：英飞凌的RHSC 48 V至12 V拓扑概述

大多数功率通过4:1谐振和非稳压HSC从48V流到12V。低压域（左侧）中的MOSFET以硬开关方式工作，而高压域（右侧）具有谐振电流和零电压开关的特点。
谐振发生在自耦变压器的电容器和漏电感之间，由于没有功能隔离需求，采用完全交错方式实现。这种拓扑结构提供了高效率和高功率密度——例如，在风扇冷却的情况下，1 kW的温度不会超过60°C。此外，80%的功率流经自耦变压器，由于HSC功率MOSFET是软开关，因此它们不会受到开关损耗的影响。这也意味着可以使用英飞凌同类最佳的Source-Down MOSFET。
升压块的等效电压供应范围从接地到12V。该转换器在V_in =48V到60V之间提供完整的12V稳压，在48V以下变为固定比率4:1。它提供97.5%到98%的满载效率，最高可达1.2kW（1.6kW峰值），实现了1.2kW/立方英寸的高功率密度。

总结

当48 V数据中心需要稳压12 V电源轨时，英飞凌的DR-HSC和RHSC转换器是正确的选择。DR-HSC提供布局灵活性和低高度。另一方面，RHSC拓扑利用了输出自耦变压器的功率传输，这意味着可以通过垂直尺寸来减小板尺寸，从而缩小整个解决方案的占位面积。此外，这种拓扑结构可以以相当的密度和效率取代现有的固定比率IBC。这两种拓扑结构都可以在适用于48V至12V数据中心应用的稳压IBC中实现高效率和高功率密度，而英飞凌的XDP™ XDPP1100控制器可以完全处理这两种情况。
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引言

数据中心的电源转换架构

DR-HSC：降低稳压转换器中的开关频率和输出电感尺寸

RHSC：半稳压可实现48V至12V的极端功率密度

总结

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