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用標準矽FET甩GaN和SiC幾條街 Vicor是怎麼做到的?
 

【作者: 南山】   2019年09月11日 星期三

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目前,越來越多的應用系統對電源系統的功率密度及轉換效率提出了更高的要求,在電源系統設計中,不僅功率密度是眾多要素之一,其他比如電源系統架構、多種開關拓撲、電源模塊和基於分立器件設計的封裝技術,每一項都發揮重要的作用。此外,效率也是其中的一個要素,如配電網路(PDN)設計、達到負載點電壓轉換步驟的數量,以及轉換器拓撲與磁性材料設計。對於眾多工程師而言,提高功率密度與效率需要在電源系統設計中進行權衡。


破解損耗的難題

Vicor全球市場營銷副總裁Phil Davies表示,近年來電源系統的一個巨大變化是:由於性能及功能要求的提高,負載功率需求也在不斷攀升。工程師現在更頻繁地發現,與其配電網路設計相關的損耗日趨嚴重,因而他們不得不轉而採用更高的電壓來降低I2R損耗,由此增加了電壓轉換器的壓力,因為其必須在更大範圍內工作。


「例如,400V至48V或48V至1V,而非傳統的12V配電。這些更高的PDN電壓現在用於數據中心、汽車及工業系統。」Phil說,「如果採用傳統轉換器拓撲將48V轉換為1V,通常意味著損失效率,因為傳統的方式是典型兩級轉換,即從48V到12V、然後再從12V到負載點。工程師必須在使用兩個轉換器(帶來的密度挑戰)還是採用改進的PDN(提高效率)兩者之間進行權衡。」


Vicor為這些高難度設計挑戰提供了領先的模塊化電源解決方案。「我們擁有獨特的電源系統架構、拓撲專利以及封裝實力,並始終致力於為不斷提高密度和效率而創新。」Phil說,「我們的解決方案消除了對密度和效率兩者的權衡與折衷。」


Vicor通過其分比式電源架構、ZVS/ZCS(零電壓、零電流開關)拓撲和正弦振幅轉換器拓撲技術,為業界提供了最高的密度和效率。通過將高壓直接轉換成中間母線電壓或負載點電壓,Vicor的拓撲結構還消除了高成本的轉換步驟。


此外,該公司擁有專利的ChiP封裝技術可實現高密度,而其集成型的磁性器件則可簡化設計。「我們的產品不斷最大限度地提高這些技術的優勢,幫助我們為工程師提供解決方案,解決他們最艱鉅的電源設計難題。」Phil說,「我們提供模組化解決方案,而不是一包零散部件,因此可簡化電源系統設計任務。」


也正是因為Vicor有自己的高頻率、獨特的拓撲專利設計,因此他們可以繼續使用標準矽FET,其優勢仍遠高於GaN和SiC這類高帶隙電源器件—這類器件是依賴低頻率PWM開關拓撲的電源公司的選擇。


新的變化和挑戰

眼下,數據中心、新能源汽車包括5G基站等新興應用為電源系統設計帶來了新的變化和挑戰。比如在極高功率系統中採用48V PDN,甚至380V PDN,現已變得越來越普及。Phil表示,在數據中心領域,由於高性能計算和人工智慧的出現,推動許多雲數據中心的機架電源從傳統10KW增長至20KW以上。在高性能計算數據中心,背板上的電源現在是兩個48V服務器設計外加380V DC配電。


電源系統工程師現在面臨幾項挑戰。Phil表示,以AI處理器電路板的電源設計為例,處理器電流的急劇上升始於2017年,客戶希望為其AI GPU和ASIC提供500A、1V以下的嚴格穩壓解決方案。這帶來了一項非常艱鉅的挑戰:傳統多相降壓陣列密度不夠,無法盡可能靠近處理器放置,也就是說穩壓器和處理器之間會有大約200μΩ至400μΩ的PDN電阻。在500A和400μΩ的PDN電阻的情況下,電路板上會有100W的功耗。這就意味著,假設處理器功耗為400W,系統效率會因PDN的原因降至75%。由於PDN電阻和電流都很高,因此12V多相解決方案無法滿足性能需求。而隨著處理器電流需求持續提升至1000至1500A峰值,需要全新的方法來顯著降低PDN電阻以及相關電路板功率及效率損耗。


Vicor提供了一種方法—通過在封裝產品上提供橫向及縱向分比式電源,解決了這一極為艱鉅的復雜難題。橫向解決方案可將PDN電阻降至50μΩ,而縱向解決方案則可將其降至5μΩ。這樣,在縱向供電情況下,一項1000A的GPU或ASIC電源設計在電阻為50μΩ時,會消耗5W的PDN電源。這一方法使得Vicor在AI處理器電源市場處於領先地位。


除了AI處理器,目前在電動或弱混汽車中也有許多需要轉換的電壓。「我們經常聽客戶說,他們在尋找1000V、800V、400V以及48V的極高功率轉換器。」 Phil說,「Vicor產品的密度、效率和重量優勢引起了他們的高度關注。從上市時間和設計簡化的角度來看,我們的模塊化解決方案也被視為一項重大優勢。」


控制設計成本

在影響電源系統設計應用的諸多因素中,成本是「影響決策」最關鍵的一環。Phil認為,電源系統設計成本有許多不同的方面,可在開發期間針對上市時間、市場份額及系統質量進行判斷。開發時間過長可能會導致成本增加:資源被當前項目占用會造成錯失商機的成本,而競爭對手搶先占領市場則會降低市場份額。一旦系統投入市場,性能和質量都非常重要,因為大量的成本都與因質量差而退貨、現場服務和客戶流失有關。


舉例來說,如果因為電源系統的低效率而導致系統效率低下,則設備可能會發熱,使用壽命會非常有限。系統也會因使用龐大的散熱管理系統來散熱而變得非常笨重。「許多客戶只會關註材料清單和設備成本。這是目光短淺的,根本沒有考慮我提到的許多關鍵問題。」Phil說,「在開發和生產過程中以及整個生命周期,都必須考慮總體系統成本,以及可以實現的市場份額。這對於高性能產品來說非常重要。Vicor非常清楚每個模塊單位電流或單位功耗的成本必須符合其所在市場的實際狀況,而且由於Vicor產品的高密度,我們能夠實現極具競爭力的模塊成本。」


Phil表示,用戶是否選用Vicor的產品和他們的需求密切相關:如果用戶在空間和性能方面沒有特別要求,可使用普通電源解決方案或每次都希望構建其自己的分立式電源系統,那Vicor就不適合他們。「我們提供的模塊化解決方案不僅性能高、密度高,而且簡單易用。」Phil說,「我們堅信,幫助客戶以更高的系統性能為其解決方案實現差異化,這將為他們提供一項極具競爭力的優勢。」


新興市場前景廣闊

目前,48V服務器、AI GPU和ASIC這類電源市場需求增長很快,Vicor在前者市場占有很大份額,在後者新興市場占據主導地位。此外。弱混汽車開始採用48V配電系統,純電動輕型車及汽車市場也存在巨大的商機,因此Vicor開始進入汽車市場,而自動駕駛汽車的興起,進一步推動了Vicor的解決方案在深度學習應用數據中心市場以及推斷計算汽車市場的需求。在5G系統方面,Vicor已經開始與幾家通信公司合作——通信設備不僅有極大電流網路ASIC,而且正在向7nm和5nm節點發展,這就意味著核心電壓會更低,有些會低至0.4V。


除了新興市場,通用工業市場的電源系統正在從基本定製分立器件設計向模塊化解決方案轉變,越來越多的用戶需要高密度和高性能。「今年晚些時候,Vicor將進入AC-DC市場,為單相和三相AC系統提供極高密度的模塊化前端解決方案,這將為我們在許多市場和應用帶來令人振奮的全新機遇。」Phil說,「我們的負載點效率不斷提升。以每平方毫米安培為單位進行電流密度測量,目前Vicor的密度是最接近的競爭對手的3倍!就前端而言,以每立方英寸瓦特為單位進行測量,Vicor某些產品的功率密度是最接近的競爭對手的10倍!我們正在和全球各大公司合作,逐年擴大客戶群。我堅信,Vicor的未來無限美好!」


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