电力电子中的“摩尔定律”(1)

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本文是第二届电力电子科普征文大赛的获奖作品，来自上海科技大学刘赜源的投稿。

著名的摩尔定律中指出，集成电路每过一定时间就会性能翻倍，成本减半。那么电力电子当中是否也存在着摩尔定律呢？

1965年，英特尔创始人之一的戈登·摩尔 (Gordon Moore) 在《电子器件会议记录》中提出，集成电路芯片上所能容纳的晶体管数量每隔大约18至24个月会 翻倍 ，同时成本也会相应 下降一半 ，这就是著名的 “摩尔定律” 。

虽然最初是关于晶体管数量和成本的观察性规律，但随着时间的推移，人们常常将摩尔定律与处理器性能的持续提升联系起来。也就是说，随着晶体管数量的增加，处理器性能也在相应地提升。这种观点被普遍认为是摩尔定律的一种推论，即 处理器性能每隔一定时间会翻倍。

那么除了集成电路，在 数据中心供电 方面， 电力电子领域 是否也存在着摩尔定律呢？答案显然是 肯定 的，随着时代的发展和技术的进步，电力电子也在朝着 更高的功率和更小的体积发展。

图一：Intel的“摩尔定律”

01

48V数据中心供电架构

近年来，数据中心供电应用方面，有一项显著的转变是从传统的 12V中心总线架构 向更先进的 48V中心总线架构 的过渡。这个变革始于2012年，Google在OCP峰会上推出了第一代48V总线架构。

相较于12V架构，48V中心总线架构拥有一系列显著优势，包括 更高的传输效率、更长的传输距离、更可靠和实用 ，以及 更加灵活的配置 。然而，随着技术的进步，数据中心中诸如CPU、DDR等组件的电压需求逐渐降低至1.8V以下，这就要求主板提供更大电流以保证足够的输入功率。这种需求与现代电路要在高频率条件下工作的要求形成了挑战，尤其是在追求更高功率密度的情况下。

02

传统的逆变+整流

在2000年左右，针对低电压，大电流的应用场景， 逆变器连接倍流整流器 (current doubler rectifier) 是主流的应用拓扑 [1] ，通过使用变压器连接逆变器与整流器，此时可以同时实现一定比例的降压。此时受到器件工艺的制约，电路的工作频率一般在 1 00-200kHz 。

从图二（1）当中可以看到，倍流器需要两个电感与一个变压器共计3个磁性元件。在大电流应用场景下 磁性元件的体积 会成为制约电路板功率密度大小的主要因素，即使采用磁集成技术，整体电路的功率密度也很难有极大的提升。图二（2）当中，电路板功率密度仅能达到 12.16W/inm³ 。

(1) 电路拓扑

(2) 电路板

图二：倍流整流器 [1]

03

LLC电路的兴起

2002年，LLC电路被证明对比于不对称半桥（AHB）电路具有更高的效率，而 AHB + current doubler rectifier 就是当时一种主流的逆变器连接整流器拓扑。与此同时，对比于AHB电路，虽然LLC变换器仍然需要2个电感与1个变压器，但是通过实际变压器的等效模型可以观察到，原边的并联电感可以利用变压器的励磁电感替代，而谐振电感可以利用变压器的原边漏感替代。

因此，整个电路可以简化为 仅1个变压器 的磁性元件，这无疑大大降低了磁性元件的体积，从而大大提升了整体电路的功率密度。因此在2005年之后，LLC变换器开始逐渐运用于低电压，大电流，高频率的应用场景之中。

图三：半桥LLC变换器

图四：LLC电路板 [2]

图四中的LLC电路达到了 164 W/inm³ ，可以看到对比之前的电路，功率密度有了极大的提升。然而通过图四可以看到，即使器件已经尽量紧密的排布，器件的 高度 ，尤其是 变压器的磁芯高度 ，仍然极大制约了功率密度的进一步提升。