（本文編譯自Electronic Design）

無論是以可再生能源為主的電網(wǎng)，還是人工智能數(shù)據(jù)中心，各類場景的電力需求均在持續(xù)攀升，同時對“更小空間實(shí)現(xiàn)更高性能”的要求日益嚴(yán)苛，這使得電力電子設(shè)備面臨的技術(shù)壓力與日俱增。

電力傳輸需經(jīng)過復(fù)雜的DC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：從電網(wǎng)中的高壓電開始，逐步降壓至高端處理器所需的毫伏級電壓。為應(yīng)對這一系列挑戰(zhàn)，一類新型DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)運(yùn)而生，其將帶來多維度技術(shù)突破，具體包括：

• 適用于直流微電網(wǎng)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)靈活的功率流控制；

• 基于碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的新型功率開關(guān)，能為電動汽車提供緊湊、高頻的開關(guān)功能；

• 磁性元件與無源集成領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)，可有效降低服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)部的能量損耗。

適用于直流微電網(wǎng)的特殊DC/DC功率轉(zhuǎn)換器

隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源以及儲能系統(tǒng)（ESS）大量接入電網(wǎng)，乃至接入更多本地化的直流微電網(wǎng)，負(fù)責(zé)在不同設(shè)備/系統(tǒng)間進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的電力電子器件，正面臨前所未有的運(yùn)行壓力。

針對這一問題，三有源橋（TAB）DC/DC轉(zhuǎn)換器成為潛在解決方案。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是雙有源橋（DAB）技術(shù)的延伸，能夠在保持高效率的同時，實(shí)現(xiàn)對多種功率流的協(xié)同管理。圖1展示了一個使用標(biāo)準(zhǔn)雙端口DC/DC轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)，每個直流單元需通過一個獨(dú)立的DC/DC轉(zhuǎn)換器才能與電網(wǎng)連接；而三有源橋（TAB）DC/DC轉(zhuǎn)換器可同時將多個能源接入電網(wǎng)，大幅簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與機(jī)械集成流程。

圖1：采用傳統(tǒng)雙端口DC/DC轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)（圖a）；采用三端口DC/DC轉(zhuǎn)換器的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)（圖b）。

值得關(guān)注的是，三有源橋支持雙向功率流，且所有端口通過變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合。該變壓器不僅能提供所需的電氣隔離，還可通過調(diào)整各端口的匝數(shù)比，來幫助調(diào)節(jié)不同的電壓等級。

三有源橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之所以受到行業(yè)關(guān)注，核心原因在于其能夠減小儲能系統(tǒng)中大型復(fù)雜DC/DC轉(zhuǎn)換器的體積，同時還可利用零電壓開關(guān)（ZVS），這對于實(shí)現(xiàn)更高頻率的運(yùn)行至關(guān)重要。

然而，該拓?fù)湟泊嬖谝恍┤秉c(diǎn)：其儲能端口（通常連接大型電池組）即便在未使用狀態(tài)，仍不可避免地會產(chǎn)生環(huán)流。這一現(xiàn)象由三有源橋轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)本身所導(dǎo)致，會降低能量轉(zhuǎn)換效率。

另一個問題是，三有源橋轉(zhuǎn)換器中某一個端口的功率變化會對另一個端口產(chǎn)生影響。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過程時，這種相互作用會導(dǎo)致無關(guān)端口產(chǎn)生多余功率；這是因?yàn)楦鶕?jù)以下公式1、公式2和公式3，每個端口的功率均為?12和?13的函數(shù)：

此外，該DC/DC轉(zhuǎn)換器還需配備功率耦合控制功能，以消除各端口間的功率關(guān)聯(lián)性。但即便如此，即便儲能系統(tǒng)端口未投入使用，這種控制方法仍會在該端口內(nèi)誘發(fā)環(huán)流，進(jìn)而增加控制復(fù)雜度。

基于GaN的DC/DC轉(zhuǎn)換器可提升電動汽車功率密度

雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器同樣應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域，在該場景中，高功率密度與高效率是不可或缺的核心要求。這類轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)高壓電池組與車內(nèi)其他系統(tǒng)（包括牽引逆變器的高壓直流母線）之間的接口連接。

雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器扮演著“能量調(diào)節(jié)器”的角色：不僅能將電池輸出的電流輸送至電動汽車的其他部件，還能在制動能量回收過程中，將回收的能量回傳至電池儲存。

由于不同類型電池的輸出電壓可能存在不穩(wěn)定性，因此需要DC/DC轉(zhuǎn)換器臨時儲存能量，并將不穩(wěn)定的輸入電壓升壓至更高的穩(wěn)定水平，以滿足電動汽車的功率需求。通過這一過程，直流母線電壓不會受到電池電壓波動的影響，從而使電機(jī)與逆變器均可按最優(yōu)方案設(shè)計(jì)（見圖2）。

圖2：雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖a）；最常用的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器三維模型（圖b）。

氮化鎵在這類DC/DC轉(zhuǎn)換器中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可從系統(tǒng)層面提升功率密度與效率。氮化鎵功率場效應(yīng)晶體管（GaN power FET）能以極高的開關(guān)頻率工作，該頻率可提升至100kHz以上，部分場景下甚至能超過1MHz。這使得即使在硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也能實(shí)現(xiàn)極低的開關(guān)損耗，從而降低系統(tǒng)功率損耗并減少熱量產(chǎn)生。

采用氮化鎵功率場效應(yīng)晶體管后，DC/DC轉(zhuǎn)換器通常可采用被動散熱方式，此舉能降低系統(tǒng)總體成本并減小占用面積。氮化鎵還有助于簡化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與機(jī)械集成過程，因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器可在車輛內(nèi)靈活布置，減輕制造商的工作量。

此外，氮化鎵技術(shù)可將轉(zhuǎn)換器功率提升至千瓦（kW）級別，并提高功率密度。同時，相較于液冷式轉(zhuǎn)換器，其常規(guī)效率可超過90%，散熱性能也更優(yōu)。

在兩相配置中，可將DC/DC轉(zhuǎn)換器的兩個相位組合，以最大化輸出功率。在部分負(fù)載工況下，還可關(guān)閉其中一個相位，并使兩個相位的開關(guān)頻率交錯。通過將兩個相位的輸入串聯(lián)切換，DC/DC轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)800V架構(gòu)，且不會超過氮化鎵場效應(yīng)晶體管的最大阻斷電壓。

由于電動汽車及其他系統(tǒng)的空間有限，功率密度成為這類雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的核心指標(biāo)之一，另一核心要求則是高效率。電容器、電感器等無源元件會限制總功率密度，此外，它們也是功率損耗的重要來源。影響系統(tǒng)中無源元件總體體積的因素包括：

• 開關(guān)頻率：提高開關(guān)頻率可減小無源元件體積，但開關(guān)頻率會受到所需效率的限制。

• 濾波電感：小型濾波器可能有助于減小電感器尺寸，但需配備大型濾波電容器以濾除大電流紋波。

基于圖3所示的無源元件及圖4所示的功率轉(zhuǎn)換效率可知：當(dāng)開關(guān)頻率高于20kHz時，無源元件體積幾乎不會隨頻率升高而減小，但功率轉(zhuǎn)換器的效率會顯著下降。因此，設(shè)計(jì)時需重點(diǎn)關(guān)注功率密度與效率之間的權(quán)衡關(guān)系。

圖3：不同開關(guān)頻率下無源元件的預(yù)估體積。

圖4：不同電池電壓下的理論效率與開關(guān)頻率的關(guān)系（直流母線電壓Vbus=600伏，功率P=40千瓦）。

集成磁性元件的單級48伏至1伏DC/DC轉(zhuǎn)換器

為電路板及系統(tǒng)級芯片（SoC）提供大電流的DC/DC轉(zhuǎn)換器也在快速發(fā)展。

在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，單級DC/DC轉(zhuǎn)換器正逐漸得到應(yīng)用，其核心優(yōu)勢在于減少電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的數(shù)量。例如，美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心（CPES）設(shè)計(jì)的一款基于氮化鎵（GaN）的非穩(wěn)壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，可直接將48伏母線電壓降壓至1伏。該高效降壓轉(zhuǎn)換器通過采用印刷電路板（PCB）繞組電感器來集成磁性元件，在為負(fù)載提供大功率輸出的同時，實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

人工智能（AI）技術(shù)的快速普及，推動了美國數(shù)據(jù)中心需求的激增。據(jù)麥肯錫（McKinsey）預(yù)測，若要維持當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展速度，到本十年末（2030年），數(shù)據(jù)中心的電力需求將增長至現(xiàn)有容量的近3倍。這意味著數(shù)據(jù)中心的能耗占比將發(fā)生顯著變化。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)通常采用48伏母線,相較于此前使用的12伏母線，48伏母線的優(yōu)勢在于能降低電阻損耗（見圖5）。在實(shí)際應(yīng)用中，48伏母線電壓通常先降壓至12伏，再進(jìn)一步降至系統(tǒng)級芯片（SoC）的核心電壓（通常低于1伏）。

圖5：數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)：傳統(tǒng)交流配電（圖a）；48伏母線直流配電（ b）。

傳統(tǒng)上，每一次電壓轉(zhuǎn)換都需要一個獨(dú)立的功率轉(zhuǎn)換器，而每個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生功率損耗，這些損耗累加起來可能超過10%。這些功率損耗以熱量形式存在，必須通過某種方式散發(fā)出去。

通過采用單級高效轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)中心有望大幅降低功率損耗，同時也能簡化系統(tǒng)復(fù)雜度。

歸根結(jié)底，從電網(wǎng)（或微電網(wǎng)）到為電動汽車、人工智能數(shù)據(jù)中心等各類設(shè)備供電的系統(tǒng)級芯片的核心電路，對更高功率密度與更高效率的需求將持續(xù)攀升。