800V DC-50V DC转换方案，未来数据中心的刚需

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）英伟达在800V DC架构中，通过在数据中心内升级高压直流母线，减少AC/DC的转换部分，降低损耗的同时，也能够提高机架内的空间利用率。其中，从数据中心直流母线到机架，有两种方式，一是通过集中式的DC-DC，在机架外部进行转换，并通过低压母线进行电压分配；另一种是在机架内部直接进行800V到50V的电压转换，这样降低了损耗，效率更高，但需要更高密度的800V到50V的高效DC-DC转换。

为了应对DC-DC的高功率密度、高效率、热管理等需求，SiC、GaN等第三代器件将会在英伟达800V DC架构中大量应用。而最近，ST也在其最新的白皮书中，展示了ST专为800V机架配电开发的高功率电力传输板（PBD）方案，详细介绍了该方案的电源架构以及器件选型。

12kW GaN LLC转换器

LLC转换器因其软开关能力和高效率，在高频DC-DC转换中被广泛应用，ST针对数据中心推出了一种12 kW、1 MHz DCX 16：1堆叠LLC谐振转换器。

ST表示，GaN晶体管可以实现超过1 MHz的开关频率，这对于高密度数据中心电源至关重要。虽然平面变压器和矩阵变压器能提升性能和可扩展性，但它们传统上工作在500 kHz以下且电压较低。转向800 V总线系统和更高功率密度需要1 MHz的开关频率，这带来了与电磁干扰（EMI）、损耗和热管理相关的挑战。

因此，这款LLC转换器采用了GaN器件和新型的平面矩阵变压器，基于10层PCB优化以实现最小损耗和高功率密度。堆叠LLC高效地将800 V转换为50 V，达到98%的峰值效率。

堆叠式12kW DCX LLC拓扑结构框图图源：ST

叠层式LLC拓扑结构是两个LLC转换器组成，每个由400V电源供电（占800V母线电压的一半），在输入端串联、输出端并联，从而降低主设备的电压应力和次级设备的电流应力。

GaN晶体管实现1 MHz工作频率，可减小无源元件尺寸，便于使用磁通抵消技术的平面变压器，并提高功率密度。方案中平面矩阵变压器采用八组元件变压器的10层PCB变压器，通过磁通抵消和先进绕组技术（对称初级、交叉连接次级），可将损耗降低约30%，并提升热性能。

堆叠式12kW DCX LLC转换器最高效率可达98%，功率密度目标值为2600 W/in³。同时提供热插拔功能。

在热管理方面，该转换器采用液冷设计，可将设备温度维持在65°C，确保在高功率密度下可靠运行。

方案包含两个6 kW功率转换器级，每个级分别产生独立输出。每个转换器级进一步分为两个3 kW部分，以交错模式运行，以最小化电压纹波并减少所需电容数量。采用一个32位STM32G474ME微控制器单元（MCU）管理用于同步整流的主SGT023R70FTP氮化镓器件（700 V，18 mΩ）和次级SGT1D5R10MEA氮化镓开关（100 V，1.1 mΩ）。

矩阵变压器设计与磁通分布来源：ST

另外，在方案中ST还选择了一种新型的平面矩阵变压器，这种变压器是镶嵌在PCB中，其优势是低剖面设计、自动化制造、高重复性、优异的热性能，以及在LLC转换器中利用漏感作为谐振电感（L_r）的优势。该矩阵设计通过磁通抵消技术缩小铁芯尺寸，同时优化元件变压器间的负载分担，显著提升功率密度。采用紧凑型UI铁芯搭配双元件变压器，有效缩小设备外形尺寸。两侧的零气隙侧支路共享磁通量，既减轻顶板负载又优化了磁芯组装结构。

绕组设计需确保主绕组与次级绕组之间形成有效隔离与屏蔽，同时控制漏感，使其不超过谐振电感L_r。通常采用夹层叠层结构，主绕组位于次级绕组之间。对于3千瓦以下功率且频率低于500千赫的设备，设计中会采用加厚铜材并配备屏蔽层。然而，为了提高功率密度并达到1MHz开关频率，铜层厚度被限制在2盎司以内，这既是为了减少涡流损耗，也是为了满足HDI制造工艺的限制。因此需要采用2盎司铜的10层堆叠结构。使用2盎司铜层时，绕组需要采用多层并联结构，导致电流分布不均，主要集中在初级与次级绕组的交界处。为改善这一问题，初级绕组采用了对称交错的并联连接方式，通过平衡电流分布，成功将损耗降低了34%。

在次级绕组（所有绕组均并联连接）中，无法像初级绕组那样实现对称结构。为此，我们提出了一种创新的单匝分段连接方案：通过采用类似利兹线的交叉连接方式，将叠片结构上下两半的次级绕组进行交叉连接，使它们感受到相同的磁动势（MMF），从而实现电流的均衡分配，并使次级绕组损耗降低约27%。通过同时采用这两种策略，整体绕组损耗在1MHz频率下可降低约30%。

800V-50V DC-DC方案

基于上述的12kW GaN LLC转换器，ST开发出一款12kW高密度电源板，在50V输出电压下，可以以超过98%的峰值效率持续供电，同时功率密度超过2,500 W/in³。在这个电源板方案上，ST采用了1200V SiC MOSFET实现热插拔保护，650 V GaN HEMT采用堆叠式半桥配置，用于主侧直流-直流转换，以及100 V GaN HEMTs用于二次侧同步整流。

电隔离方面，采用STGAP芯片专有的硅基隔离技术，该技术经过现场验证且已投入生产，通过强化电隔离，可安全地将信号传输至隔离屏障，从而提升安全性和可靠性。该技术专为高速开关设计，具有低传播延迟和先进的内置保护功能。

在控制方面采用了载STM32G4混合信号微控制器，其搭载的Arm®Cortex®-M4核心可运行至
170 MHz。该系统集成了高性能模拟外设和硬件加速器，用于数学运算，其200皮秒以下的定时器分辨率可实现自适应零电压开关（ZVS）的高精度高频脉宽调制（PWM）。

变压架构采用四组双元件变压器组合，通过缩小磁芯尺寸和散热设计，使得铁氧体磁芯体积更小，整体结构更加紧凑。同时通过封装优化抑制寄生电感，采用双面散热确保高效的热管理。

可以看到，对于800V-50V DC-DC中，GaN器件已经是实现高密度转换器方案的首选。纳微半导体在最近发布的白皮书中，也展示了一款10kW 800 VDC-50 VDC参考设计，在61毫米×116毫米×12毫米尺寸内将800V直流转换为50V直流，同时还包含辅助电源和控制。

纳微10kW，800V-50V DC-DC全砖解决方案 来源：纳微半导体

纳微的方案采用三级半桥LLC谐振转换器，作为直流变压器（DCX）运行。初级侧的三级拓扑通过交替切换接地、半输入电压和全输入电压来降低电压需求，从而提高系统效率。LLC采用两个电感器和一个电容器作为谐振转换器，利用软开关技术实现最高效率。这使得平面磁体能够提供最大集成度和最高开关频率。同步整流级激活100V GaN FET，提供低导通路径并支持最高频率。同时该方案也采用了平面变压器，纳微表示，当使用高频GaN器件时，平面变压器具备低V・s、可消除磁芯饱和的特性，能够降低整体损耗。

小结：

800V DC架构的核心理念在于，通过高压直流降低传输损耗，同时减少AC-DC的步骤，提高机架空间利用率。因此，未来机架内部800V DC-50V DC将会成为架构中的关键之一，其高功率密度、小型化的需求下，GaN作为高频与高密度电源的核心支撑，已经成为各家厂商的方案中不可或缺的一环。未来数据中心内部，GaN实现高频高密度直流转换器、SiC提供高压保护和可靠性补充，将会成为行业主流的方案。