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本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自上海科技大學劉賾源的投稿。

著名的摩爾定律中指出，集成電路每過一定時間就會性能翻倍，成本減半。那么電力電子當中是否也存在著摩爾定律呢？

1965年，英特爾創始人之一的戈登·摩爾 (Gordon Moore) 在《電子器件會議記錄》中提出，集成電路芯片上所能容納的晶體管數量每隔大約18至24個月會翻倍，同時成本也會相應下降一半，這就是著名的“摩爾定律”。

雖然最初是關于晶體管數量和成本的觀察性規律，但隨著時間的推移，人們常常將摩爾定律與處理器性能的持續提升聯系起來。也就是說，隨著晶體管數量的增加，處理器性能也在相應地提升。這種觀點被普遍認為是摩爾定律的一種推論，即處理器性能每隔一定時間會翻倍。

那么除了集成電路，在數據中心供電方面，電力電子領域是否也存在著摩爾定律呢？答案顯然是肯定的，隨著時代的發展和技術的進步，電力電子也在朝著更高的功率和更小的體積發展。

圖一：Intel的“摩爾定律”

01

48V數據中心供電架構

近年來，數據中心供電應用方面，有一項顯著的轉變是從傳統的12V中心總線架構向更先進的48V中心總線架構的過渡。這個變革始于2012年，Google在OCP峰會上推出了第一代48V總線架構。

相較于12V架構，48V中心總線架構擁有一系列顯著優勢，包括更高的傳輸效率、更長的傳輸距離、更可靠和實用，以及更加靈活的配置。然而，隨著技術的進步，數據中心中諸如CPU、DDR等組件的電壓需求逐漸降低至1.8V以下，這就要求主板提供更大電流以保證足夠的輸入功率。這種需求與現代電路要在高頻率條件下工作的要求形成了挑戰，尤其是在追求更高功率密度的情況下。

02

傳統的逆變+整流

在2000年左右，針對低電壓，大電流的應用場景，逆變器連接倍流整流器(current doubler rectifier) 是主流的應用拓撲[1]，通過使用變壓器連接逆變器與整流器，此時可以同時實現一定比例的降壓。此時受到器件工藝的制約，電路的工作頻率一般在100-200kHz。

從圖二（1）當中可以看到，倍流器需要兩個電感與一個變壓器共計3個磁性元件。在大電流應用場景下磁性元件的體積會成為制約電路板功率密度大小的主要因素，即使采用磁集成技術，整體電路的功率密度也很難有極大的提升。圖二（2）當中，電路板功率密度僅能達到12.16W/inm3。

(1) 電路拓撲

(2) 電路板

圖二：倍流整流器[1]

03

LLC電路的興起

2002年，LLC電路被證明對比于不對稱半橋（AHB）電路具有更高的效率，而AHB + current doubler rectifier就是當時一種主流的逆變器連接整流器拓撲。與此同時，對比于AHB電路，雖然LLC變換器仍然需要2個電感與1個變壓器，但是通過實際變壓器的等效模型可以觀察到，原邊的并聯電感可以利用變壓器的勵磁電感替代，而諧振電感可以利用變壓器的原邊漏感替代。

因此，整個電路可以簡化為僅1個變壓器的磁性元件，這無疑大大降低了磁性元件的體積，從而大大提升了整體電路的功率密度。因此在2005年之后，LLC變換器開始逐漸運用于低電壓，大電流，高頻率的應用場景之中。

圖三：半橋LLC變換器

圖四：LLC電路板[2]

圖四中的LLC電路達到了164 W/inm3，可以看到對比之前的電路，功率密度有了極大的提升。然而通過圖四可以看到，即使器件已經盡量緊密的排布，器件的高度，尤其是變壓器的磁芯高度，仍然極大制約了功率密度的進一步提升。

參考資料

[1] Jian Sun, K. F. Webb and V. Mehrotra, "Integrated magnetics for current-doubler rectifiers," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 3, pp. 582-590, May 2004.

[2] S. Abe, Y. Ishizuka, T. Ninomiya, S. Yang, M. Shoyama and M. Kaga, "Prototype evaluation of over 10W/cm3 high power density converter for 400V-DC power distribution system in data center," 2013 IEEE 10th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS), Kitakyushu, Japan, 2013, pp. 1280-1284.