隨著數(shù)據(jù)中心高密度計(jì)算需求的增長(zhǎng)，服務(wù)器電源向高功率密度、高效率方向發(fā)展，而磁性元器件產(chǎn)品作為電源的核心部件，其設(shè)計(jì)直接影響系統(tǒng)性能與可靠性。

南京博蘭得電子科技有限公司研發(fā)高級(jí)經(jīng)理劉建在近日的中國(guó)磁性元器件產(chǎn)業(yè)鏈峰會(huì)上，以《15kW 服務(wù)器電源磁性元器件優(yōu)化》為主題，分享了團(tuán)隊(duì)在磁性元器件設(shè)計(jì)中如何平衡多重約束的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

博蘭得研發(fā)高級(jí)經(jīng)理劉建

一、背景：解碼15kW服務(wù)器電源的規(guī)格挑戰(zhàn)

電源規(guī)格：輸入覆蓋 342-528Vac 寬電壓范圍，采用液冷散熱方案，輸出需達(dá)到 48V/313A（15kW），15 毫秒掉電保持時(shí)間，過(guò)流保護(hù)（OCP）點(diǎn)為額定電流的 130%~140%。

從服務(wù)器電源的系統(tǒng)框圖來(lái)看，前級(jí)采用 Vienna 結(jié)構(gòu)，后級(jí)為三路全橋 LLC 并聯(lián)的電路拓?fù)浣M合，原副邊均由 DSP 控制。每路LLC的磁性元器件產(chǎn)品通過(guò)原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)實(shí)現(xiàn) 15kW 總功率，這種磁性元器件設(shè)計(jì)對(duì)集成度、散熱效率和電磁兼容性（EMC）提出了更高的要求。

二、LLC 磁性元器件設(shè)計(jì)優(yōu)化：從磁芯到繞組的全流程分析

1.磁性元器件設(shè)計(jì)之匝比優(yōu)化

磁性元器件匝比確定主要基于三點(diǎn)原則：一是原邊采用 1200V SiC MOSFET，盡量提高母線（BUS）電壓以降低原邊電流；二是在滿(mǎn)足電壓降額的前提下提高 BUS 電壓，減少 BUS 電容數(shù)量以滿(mǎn)足保持時(shí)間要求；三是原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)，等效原邊總匝數(shù)需為偶數(shù)。

最終選擇總匝比 34:2（單磁性元器件產(chǎn)品匝比 17:2），選擇BUS 電壓為810V，增益計(jì)算為 17×48/810=1.0074，額定工況下 LLC 工作點(diǎn)接近 100kHz 諧振頻率。

2.磁芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

15kW 電源的 DCDC 部分由三路 5kW 全橋 LLC 組成，原設(shè)計(jì)每路 LLC 采用兩個(gè) EI 磁性元器件（原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)），但 6 個(gè)磁性元器件體積過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足空間要求。

團(tuán)隊(duì)提出 “磁通抵消” 設(shè)計(jì)，將兩個(gè)磁性元器件磁芯整合：第一個(gè)磁性元器件繞組電流逆時(shí)針，磁通向外；第二個(gè)磁性元器件繞組電流順時(shí)針，磁通向內(nèi)，邊柱合并后磁通相互抵消，兩個(gè)磁性元器件磁芯可以集成為一個(gè)磁芯，磁芯體積減少 30% 以上。

優(yōu)化后的磁芯

3.磁性元器件繞組損耗優(yōu)化

磁性元器件損耗主要分為銅損和鐵損，由于諧振頻率，匝數(shù)以及l(fā)ayout已經(jīng)確定，鐵損基本上只能靠材料來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，所以主要考慮鐵損的優(yōu)化。

疊層結(jié)構(gòu)對(duì)比：

磁性元器件產(chǎn)品采用無(wú)骨架（Bobbinless）繞法，原邊每柱 17 匝（100 股直徑 0.1mm 三層絕緣線），分為 9 匝和 8 匝兩個(gè)線圈；副邊 S1、S2 為 2 匝寬 8.5mm 扁平線。

針對(duì)四種疊層結(jié)構(gòu)（PSP、SPSP、PSSP、PSPS），團(tuán)隊(duì)放棄了傳統(tǒng)的 “試錯(cuò)法”，利用 Maxwell 2D 仿真分析磁動(dòng)勢(shì)（MMF）與損耗：

從仿真結(jié)果看，PSPS的比PSP損耗減少8.1W，實(shí)測(cè)減少12.5W。SPSP 結(jié)構(gòu)因副邊靠近氣隙，邊緣效應(yīng)（Fringing Effect）導(dǎo)致額外損耗。

根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，PSSP比較好，然而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，PSSP和PSPS在頻率變化時(shí)，損耗有個(gè)交叉點(diǎn)，低頻PSSP較好，高頻PSPS占優(yōu)，在本項(xiàng)目中，PSPS較好。

2.厚度敏感分析

副邊波形為脈動(dòng)直流，近似半正弦波，可分解為交流分量（有效值 0.386）和直流分量（有效值0.318），交流分量占主導(dǎo)，因此重點(diǎn)優(yōu)化交流損耗（集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)）。

繞組的損耗可以分解成 DC損耗和 AC 損耗，DC 損耗僅與繞組厚度相關(guān)，AC損耗則是集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的損耗之和。研究發(fā)現(xiàn)，副邊繞組的電流密度沿厚度方向劇烈變化，可見(jiàn)電流在厚度方向上嚴(yán)重分布不均是交流損耗較大的原因。

通過(guò)仿真不同厚度（0.05-0.7mm）的銅損發(fā)現(xiàn)，厚度 0.2mm 時(shí)總損耗為19.6W，因集膚效應(yīng)損耗（隨厚度先降后升）與鄰近效應(yīng)損耗（隨厚度先升后降）達(dá)到平衡。厚度增加到0.5mm后，損耗變化已經(jīng)變得比較緩慢。

然而，理論優(yōu)解0.2mm 厚度的難以生產(chǎn)，考慮到可生產(chǎn)性，最終選擇 0.3mm厚度的繞組，實(shí)測(cè)損耗仍比0.6mm 降低 15W。這一折中設(shè)計(jì)體現(xiàn)了工程思維對(duì)理論的修正。

進(jìn)一步通過(guò)電流密度分析，0.6mm 厚度在 90°相位時(shí)電流密度峰值達(dá)

而0.3mm僅為

驗(yàn)證了厚度對(duì)交流損耗的決定性影響。

磁性元器件產(chǎn)品優(yōu)化最終方案為PSPS疊層，副邊繞組銅厚0.3mm，實(shí)現(xiàn)單個(gè)磁性元器件產(chǎn)品損耗降低27.64W。

4.寄生電容抑制

PSPS 結(jié)構(gòu)雖降低損耗，但原副邊寄生電容（實(shí)測(cè) C1=63pF，C2=52pF）引發(fā)兩大問(wèn)題：一是EMI 問(wèn)題，原邊諧振電流出現(xiàn)高頻振蕩。二是電壓尖峰：副邊 SR MOSFET 的 DS 電壓在軟啟時(shí)出現(xiàn) 150V以上的尖峰（超過(guò) 150V 額定應(yīng)力）。

通過(guò)等效電路分析，博蘭得研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)A 點(diǎn)回路因缺少電感（磁性元器件產(chǎn)品），成為這些問(wèn)題的主因。為此，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出在 A 點(diǎn)串聯(lián)電感（與B回路的電感集成），通過(guò)增加回路阻抗抑制振蕩，無(wú)需RC吸收電路。實(shí)測(cè)顯示，滿(mǎn)載啟機(jī)時(shí) DS 電壓尖峰降至 134V，諧振電流的高頻振蕩被抑制。

諧振電感優(yōu)化

諧振電感采用 EQI35 磁芯（中柱氣隙 1.8mm），初始設(shè)計(jì)為 0.15×75 利茲線 10 匝，仿真發(fā)現(xiàn)fringing effect不明顯，但繞組損耗較大，為4.67W。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其原因?yàn)檫呏c中柱間距 4.5mm，而電感的氣隙為1.8mm，兩者具有可比性，遠(yuǎn)離氣隙的地方有比較大的磁通直接從邊柱到中柱，氣隙附近的磁通減少。磁通直接切割了遠(yuǎn)離氣隙的繞組，造成了較大的AC 損耗。

為了驗(yàn)證上面的分析，做了如下仿真：中柱Ae減少，氣隙不變，匝數(shù)增加到15匝，保持電感量接近，進(jìn)行仿真結(jié)果為繞組損耗為3.63W，驗(yàn)證了上面的分析。

隨后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)以下調(diào)整破解難題：一是采用 0.1×120 利茲線（股數(shù)增加，單股直徑減?。档图w效應(yīng)深度（100kHz 時(shí)銅的集膚深度 0.066mm，0.1mm 線徑）。二是將繞組遠(yuǎn)離氣隙邊緣，邊緣效應(yīng)損耗降低35%。最終使總損耗從 4.60W 降至 2.37W。

三、PFC 磁性元器件優(yōu)化

在 342Vac 輸入、冷卻液溫度 45°C 時(shí)，電源運(yùn)行 30 分鐘后關(guān)機(jī)，博蘭得研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)磁芯溫升測(cè)試與仿真分析發(fā)現(xiàn)：共模電感磁芯（T63×38×25，TS10 材質(zhì)）溫度升至 110°C，此時(shí) Bsat 從室溫 0.3T 降至 0.18T，而滿(mǎn)載時(shí)磁密峰值達(dá) 0.2T，超過(guò)高溫下的Bsat，導(dǎo)致磁芯瞬間飽和電感量驟降（從 5mH 降至 數(shù)uH），PFC控制異常觸發(fā)保護(hù)。

三相共模電感并繞

傳統(tǒng)集中繞制時(shí)，漏感較大造成共模電感在流過(guò)大電流時(shí)飽和。于是博蘭得團(tuán)隊(duì)仿真了如下結(jié)構(gòu)：共模電感的三個(gè)繞組，每個(gè)繞組拆分為兩部分，按 A1-B1-C1-A2-B2-C2 順序交替繞制。仿真結(jié)果顯示，磁密峰值降至 0.1T。最終選取了三線并繞的方法進(jìn)行繞制。

四、總結(jié)：仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的價(jià)值與工程啟示

本次磁性元器件產(chǎn)品優(yōu)化的啟示在于仿真工具的深度應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)對(duì)比了 3D 仿真與 2D 簡(jiǎn)化模型的工程價(jià)值，在對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中，2D 仿真速度更快，且誤差較小。

博蘭得的實(shí)踐揭示了高功率密度電源設(shè)計(jì)的三大核心法則：如副邊繞組的Rac仿真值與實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比，結(jié)果相差不大，仿真具有參考意義，成為當(dāng)下產(chǎn)品迭代的核心工具。在大功率及高功率密度場(chǎng)合，磁性元器件設(shè)計(jì)優(yōu)化是難點(diǎn)之一。僅靠實(shí)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，可能會(huì)事倍功半；但借助仿真來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，則會(huì)事半功倍。

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化思維：磁性元器件設(shè)計(jì)需從單一器件視角轉(zhuǎn)向電源系統(tǒng)視角，例如匝比選擇需聯(lián)動(dòng) MOSFET 選型與BUS電容設(shè)計(jì)；

仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)：在 SiC/GaN 等寬禁帶器件普及的今天，寄生參數(shù)的影響已無(wú)法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式覆蓋，必須依賴(lài)精確建模；

工藝協(xié)同創(chuàng)新：從 Bobbinless 繞法到三線并列結(jié)構(gòu)，磁性元器件設(shè)計(jì)創(chuàng)新必須與工藝能力深度綁定，避免理論方案的工程不可行。

五、結(jié)語(yǔ)

博蘭得團(tuán)隊(duì)通過(guò)電磁理論創(chuàng)新、仿真工具突破與工藝細(xì)節(jié)打磨的三重協(xié)同，不僅實(shí)現(xiàn)了單個(gè)電源模塊的性能躍升，更勾勒出高功率密度電源研發(fā)的新范式 —— 以仿真為驅(qū)動(dòng)力，將磁性元器件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為 "可計(jì)算、可預(yù)測(cè)、可迭代" 的工程科學(xué)。這在為數(shù)據(jù)中心電源的下一代技術(shù)突破（如 20kW 級(jí)產(chǎn)品）奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)磁性元器件與電源行業(yè)向更高效率、更緊湊體積、更低成本的目標(biāo)邁進(jìn)。

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審核編輯 黃宇