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用标准硅FET甩GaN和SiC几条街 Vicor是怎么做到的?

来源:电子发烧友网 作者:南山 2019年08月22日 09:52 次阅读
目前,越来越多的应用系统对电源系统的功率密度及转换效率提出了更高的要求,在电源系统设计中,不仅功率密度是众多要素之一,其他比如电源系统架构、多种开关拓扑、电源模块和基于分立器件设计的封装技术,每一项都发挥重要的作用。此外,效率也是其中的一个要素,如配电网络 (PDN) 设计、达到负载点电压转换步骤的数量,以及转换器拓扑与磁性材料设计。对于众多工程师而言,提高功率密度与效率需要在电源系统设计中进行权衡。

破解损耗的难题

Vicor全球市场营销副总裁Phil Davies表示,近年来电源系统的一个巨大变化是:由于性能及功能要求的提高,负载功率需求也在不断攀升。工程师现在更频繁地发现,与其配电网络设计相关的损耗日趋严重,因而他们不得不转而采用更高的电压来降低I2R损耗,由此增加了电压转换器的压力,因为其必须在更大范围内工作。例如,400V至48V或48V至1V,而非传统的12V配电。这些更高的PDN电压现在用于数据中心、汽车及工业系统。” Phil说,“如果采用传统转换器拓扑将48V转换为1V,通常意味着损失效率,因为传统的方式是典型两级转换,即从 48V到12V、然后再从12V到负载点。工程师必须在使用两个转换器(带来的密度挑战)还是采用改进的PDN(提高效率)两者之间进行权衡。”
Phil Davies,Vicor全球市场营销副总裁
图:Phil Davies,Vicor全球市场营销副总裁
Vicor为这些高难度设计挑战提供了领先的模块化电源解决方案。“我们拥有独特的电源系统架构、拓扑专利以及封装实力,并始终致力于为不断提高密度和效率而创新。” Phil说,“我们的解决方案消除了对密度和效率两者的权衡与折衷。”
Vicor通过其分比式电源架构、ZVS/ZCS拓扑和正弦振幅转换器拓扑技术,为业界提供了最高的密度和效率
Vicor通过其分比式电源架构、ZVS/ZCS(零电压、零电流开关)拓扑和正弦振幅转换器拓扑技术,为业界提供了最高的密度和效率。通过将高压直接转换成中间母线电压或负载点电压,Vicor的拓扑结构还消除了高成本的转换步骤。此外,该公司拥有专利的ChiP封装技术可实现高密度,而其集成型的磁性器件则可简化设计。“我们的产品不断最大限度地提高这些技术的优势,帮助我们为工程师提供解决方案,解决他们最艰巨的电源设计难题。” Phil说,“我们提供模块化解决方案,而不是一包零散部件,因此可简化电源系统设计任务。”
也正是因为Vicor有自己的高频率、独特的拓扑专利设计,因此他们可以继续使用标准硅FET,其优势仍远高于GaN和SiC这类高带隙电源器件——这类器件是依赖低频率PWM开关拓扑的电源公司的选择。

新的变化和挑战

眼下,数据中心、新能源汽车包括5G基站等新兴应用为电源系统设计带来了新的变化和挑战。比如在极高功率系统中采用48V PDN,甚至380V PDN,现已变得越来越普及。Phil表示,在数据中心领域,由于高性能计算和人工智能的出现,推动许多云数据中心的机架电源从传统10KW 增长至20KW 以上。在高性能计算数据中心,背板上的电源现在是两个48V服务器设计外加380V DC配电。
通过在封装产品上提供横向及纵向分比式电源,解决了这一极为艰巨的复杂难题
电源系统工程师现在面临几项挑战。Phil表示,以AI处理器电路板的电源设计为例,处理器电流的急剧上升始于2017年,客户希望为其AI GPUASIC提供500A、1V以下的严格稳压解决方案。这带来了一项非常艰巨的挑战:传统多相降压阵列密度不够,无法尽可能靠近处理器放置,也就是说稳压器和处理器之间会有大约200μΩ至400μΩ的PDN电阻。在500A和400μΩ的PDN电阻的情况下,电路板上会有100W的功耗。这就意味着,假设处理器功耗为400W,系统效率会因PDN的原因降至75%。由于PDN电阻和电流都很高,因此12V 多相解决方案无法满足性能需求。而随着处理器电流需求持续提升至1000至1500A峰值,需要全新的方法来显著降低PDN电阻以及相关电路板功率及效率损耗。
Vicor提供了一种方法——通过在封装产品上提供横向及纵向分比式电源,解决了这一极为艰巨的复杂难题。横向解决方案可将PDN电阻降至50μΩ,而纵向解决方案则可将其降至5μΩ。这样,在纵向供电情况下,一项1000A的GPU或ASIC电源设计在电阻为50μΩ时,会消耗5W的PDN电源。这一方法使得Vicor在AI处理器电源市场处于领先地位。
除了AI处理器,目前在电动或弱混汽车中也有许多需要转换的电压。“我们经常听客户说,他们在寻找1000V、800V、400V以及48V的极高功率转换器。” Phil说,“Vicor产品的密度、效率和重量优势引起了他们的高度关注。从上市时间和设计简化的角度来看,我们的模块化解决方案也被视为一项重大优势。

控制设计成本

在影响电源系统设计应用的诸多因素中,成本是“影响决策”最关键的一环。Phil认为,电源系统设计成本有许多不同的方面,可在开发期间针对上市时间、市场份额及系统质量进行判断。开发时间过长可能会导致成本增加:资源被当前项目占用会造成错失商机的成本,而竞争对手抢先占领市场则会降低市场份额。一旦系统投入市场,性能和质量都非常重要,因为大量的成本都与因质量差而退货、现场服务和客户流失有关。
举例来说,如果因为电源系统的低效率而导致系统效率低下,则设备可能会发热,使用寿命会非常有限。系统也会因使用庞大的散热管理系统来散热而变得非常笨重。“许多客户只会关注材料清单和设备成本。这是目光短浅的,根本没有考虑我提到的许多关键问题。” Phil说,“在开发和生产过程中以及整个生命周期,都必须考虑总体系统成本,以及可以实现的市场份额。这对于高性能产品来说非常重要。Vicor非常清楚每个模块单位电流或单位功耗的成本必须符合其所在市场的实际状况,而且由于Vicor产品的高密度,我们能够实现极具竞争力的模块成本。”
Phil表示,用户是否选用Vicor的产品和他们的需求密切相关:如果用户在空间和性能方面没有特别要求,可使用普通电源解决方案或每次都希望构建其自己的分立式电源系统,那Vicor就不适合他们。“我们提供的模块化解决方案不仅性能高、密度高,而且简单易用。” Phil说,“我们坚信,帮助客户以更高的系统性能为其解决方案实现差异化,这将为他们提供一项极具竞争力的优势。”

新兴市场前景广阔

目前,48V服务器、AI GPU和ASIC这类电源市场需求增长很快,Vicor在前者市场占有很大份额,在后者新兴市场占据主导地位。此外。弱混汽车开始采用48V配电系统,纯电动轻型车及汽车市场也存在巨大的商机,因此Vicor开始进入汽车市场,而自动驾驶汽车的兴起,进一步推动了Vicor的解决方案在深度学习应用数据中心市场以及推断计算汽车市场的需求。在5G系统方面,Vicor已经开始与几家通信公司合作——通信设备不仅有极大电流网络ASIC,而且正在向7nm和5nm节点发展,这就意味着核心电压会更低,有些会低至0.4V。
48V服务器、AI GPU和ASIC这类电源市场需求增长很快,Vicor在前者市场占有很大份额
除了新兴市场,通用工业市场的电源系统正在从基本定制分立器件设计向模块化解决方案转变,越来越多的用户需要高密度和高性能。“今年晚些时候,Vicor将进入AC-DC市场,为单相和三相AC系统提供极高密度的模块化前端解决方案,这将为我们在许多市场和应用带来令人振奋的全新机遇。” Phil说,“我们的负载点效率不断提升。以每平方毫米安培为单位进行电流密度测量,目前Vicor的密度是最接近的竞争对手的3倍!就前端而言,以每立方英寸瓦特为单位进行测量,Vicor某些产品的功率密度是最接近的竞争对手的10倍!我们正在和全球各大公司合作,逐年扩大客户群。我坚信,Vicor的未来无限美好!”

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