損耗↓15%！AI服務(wù)器電源變壓器解法新思路

如果說(shuō)算力芯片決定了AI服務(wù)器的性能上限，那么AI服務(wù)器電源系統(tǒng)則直接影響其效率與穩(wěn)定性。

近年來(lái)，隨著GaN、SiC等第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用加速，AI服務(wù)器電源的開關(guān)頻率不斷上探，從百千赫茲邁向數(shù)百千赫茲甚至接近兆赫茲區(qū)間。

在這一過(guò)程中，變壓器產(chǎn)品所承受的工作條件已明顯不同于傳統(tǒng)服務(wù)器時(shí)代。高頻化帶來(lái)的損耗放大、散熱受限以及寄生參數(shù)問(wèn)題，使變壓器產(chǎn)品逐漸成為制約電源系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的重要變量。

在這樣的技術(shù)環(huán)境下，變壓器廠商如何回應(yīng)終端變化，正在成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

服務(wù)器電源 圖/包圖網(wǎng)

01 頻率高達(dá)MHz，AI服務(wù)器電源對(duì)變壓器提出新要求

從應(yīng)用現(xiàn)狀看，當(dāng)前主流AI服務(wù)器AC-DC電源的開關(guān)頻率已提升至90–120kHz，高端領(lǐng)域的開關(guān)頻率已達(dá)到200–300kHz。

在48V→12V等非隔離模塊中，工作頻率在GaN、SiC器件的推動(dòng)下進(jìn)一步提升至800kHz-1MHz甚至更高。頻率的躍遷，直接放大了磁芯損耗和繞組交流損耗，趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)以及EMC問(wèn)題同步顯現(xiàn)。

與此同時(shí)，功率密度的持續(xù)提升，使得變壓器內(nèi)部熱流密度高度集中，傳統(tǒng)的變壓器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式已難以應(yīng)對(duì)。如何在有限體積內(nèi)平衡損耗、溫升與可靠性，成為AI服務(wù)器電源用變壓器產(chǎn)品繞不開的核心課題。

AI服務(wù)器用電感變壓器 圖/峰亞電子

02 變壓器損耗降低15%，峰亞電子的材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

針對(duì)高頻應(yīng)用中的主要矛盾，深圳市峰亞電子有限公司研發(fā)總監(jiān)黃文華對(duì)《磁性元件與電源》分享了他們的解決方案。峰亞電子將設(shè)計(jì)重心放在“磁-銅損耗均衡”上，而非單一指標(biāo)的極限追求。

在變壓器材料選擇上，通過(guò)采用高磁通密度、低損耗且截面積更大的磁芯，在保證磁密可控的前提下降低繞組匝數(shù)，從而減少直流電阻和基礎(chǔ)銅損。在實(shí)際項(xiàng)目中，匝數(shù)降低約40%。

在繞組層面，峰亞對(duì)利茲線的復(fù)合絞合方式進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，通過(guò)不同線徑組合來(lái)抑制高頻下的趨膚效應(yīng)，并配合變壓器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低分布電容與鄰近效應(yīng)影響。同時(shí)，對(duì)磁芯進(jìn)行分段與氣隙優(yōu)化，以減小渦流損耗。

多項(xiàng)手段協(xié)同后，變壓器整體損耗可降低約15%，為AI服務(wù)器整機(jī)帶來(lái)3‰左右的效率改善。

圖/峰亞電子

在變壓器工藝結(jié)構(gòu)上，峰亞通過(guò)多種針對(duì)性設(shè)計(jì)協(xié)同來(lái)降低變壓器產(chǎn)品交流銅損。具體來(lái)說(shuō)：

通過(guò)不同規(guī)格線材的組合應(yīng)用，有效抑制變壓器高頻條件下的趨膚效應(yīng);在繞組結(jié)構(gòu)上，引入低分布電容的繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從源頭降低鄰近效應(yīng)，同時(shí)減少分布電容對(duì)高頻性能的影響;在磁路結(jié)構(gòu)上，通過(guò)磁芯分段氣隙設(shè)計(jì)，削弱渦流效應(yīng)帶來(lái)的附加損耗。

變壓器工藝設(shè)計(jì)圖 圖/峰亞電子

在此基礎(chǔ)上，峰亞還輔以變壓器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層面的強(qiáng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，使線包內(nèi)外的溫升分布更加均衡，加大繞組整體散熱能力，避免因線包溫升過(guò)高而引發(fā)線材交流電阻(ACR)上升，進(jìn)而形成損耗與溫升相互放大的負(fù)反饋式惡性循環(huán)。

通過(guò)上述變壓器產(chǎn)品工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段的綜合應(yīng)用，線材交流電阻最高可降低約20%，從而最大限度地降低有效銅損，并可根據(jù)功率等級(jí)的不同，為整機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)約1-2‰的效率提升。

03 從協(xié)同設(shè)計(jì)入手，破解AI服務(wù)器電源的系統(tǒng)性難題

在峰亞電子看來(lái)，與電源客戶開展電感變壓器產(chǎn)品的早期協(xié)同設(shè)計(jì)，是從根本上解決AI服務(wù)器電源電感變壓器高頻損耗劇增、散熱難度大、體積與性能失衡以及寄生參數(shù)干擾等核心痛點(diǎn)的必要前提。

其價(jià)值并不僅體現(xiàn)在單一性能指標(biāo)的優(yōu)化，而是貫穿于痛點(diǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別、技術(shù)方案的可落地性、成本與周期的可控性，以及可靠性風(fēng)險(xiǎn)的提前釋放等多個(gè)維度。

這一思路在實(shí)際項(xiàng)目中已有明確體現(xiàn)。2022年11月初，峰亞電子接到一項(xiàng)30kW數(shù)據(jù)中心非隔離電源電感變壓器的定制化需求。

項(xiàng)目啟動(dòng)后，公司迅速組織專項(xiàng)團(tuán)隊(duì)，對(duì)客戶需求進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)審與分解，并同步推進(jìn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作。

到當(dāng)年12月底，僅用約兩個(gè)月時(shí)間便完成了變壓器功能樣品的制作。得益于前期充分的溝通和協(xié)同設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目樣品在首版即通過(guò)功能測(cè)試，變壓器產(chǎn)品效率提升約3‰，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了約30%的成本下降。

變壓器樣品 圖/峰亞電子

04 立足AI服務(wù)器應(yīng)用，跟隨但不缺位

在AI服務(wù)器電源領(lǐng)域，峰亞電子對(duì)自身的定位相對(duì)清晰。目前公司仍以行業(yè)跟隨者的角色，緊密跟進(jìn)頭部企業(yè)的技術(shù)路線與應(yīng)用方向展開布局。

其主力市場(chǎng)之一集中在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，而該應(yīng)用場(chǎng)景在供電架構(gòu)、功率等級(jí)和可靠性要求上，與AI服務(wù)器電源具有較高的重合度。

在技術(shù)儲(chǔ)備方面，峰亞已積累了較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證了相關(guān)能力。公司曾參與第三代“巴拿馬項(xiàng)目”(HVDC項(xiàng)目)，作為非隔離電源磁性器件的核心供應(yīng)商之一，與多家業(yè)內(nèi)頭部企業(yè)展開深度合作，這也從側(cè)面反映了其在數(shù)據(jù)中心電源領(lǐng)域的成熟度與工程適配能力。

此外，圍繞巴拿馬項(xiàng)目延伸出的新方向——固態(tài)變壓器，峰亞電子同樣保持了相對(duì)理性的判斷。公司認(rèn)為，這一技術(shù)路線具備明確的發(fā)展?jié)摿Γ壳叭蕴幱谳^早階段，距離規(guī)模化應(yīng)用尚有距離。

綜合行業(yè)節(jié)奏判斷，固態(tài)變壓器的應(yīng)用階段因行業(yè)而異。在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，其技術(shù)應(yīng)用已較為成熟，但在AI服務(wù)器、充電樁等新興場(chǎng)景，該技術(shù)仍處于解決方案定制與測(cè)試階段

在此之前，峰亞更多是與客戶保持前端技術(shù)協(xié)同，通過(guò)方案研究、方向探索和樣品測(cè)試等方式提前介入，為未來(lái)技術(shù)演進(jìn)積累設(shè)計(jì)和驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，而非盲目推進(jìn)量產(chǎn)。

AI服務(wù)器電源的高頻化趨勢(shì)，正在不斷抬高磁性元件的技術(shù)門檻。從材料選擇、工藝結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)協(xié)同，變壓器已不再是可以“后置優(yōu)化”的環(huán)節(jié)。

峰亞電子的實(shí)踐路徑顯示，在高頻與高功率密度成為常態(tài)的背景下，唯有回到工程本身，通過(guò)可驗(yàn)證的效率提升與可靠性表現(xiàn)，電感變壓器才能在AI電源體系中真正發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。

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