電子發燒友網報道（文/梁浩斌）英偉達在800V DC架構中，通過在數據中心內升級高壓直流母線，減少AC/DC的轉換部分，降低損耗的同時，也能夠提高機架內的空間利用率。其中，從數據中心直流母線到機架，有兩種方式，一是通過集中式的DC-DC，在機架外部進行轉換，并通過低壓母線進行電壓分配；另一種是在機架內部直接進行800V到50V的電壓轉換，這樣降低了損耗，效率更高，但需要更高密度的800V到50V的高效DC-DC轉換。

為了應對DC-DC的高功率密度、高效率、熱管理等需求，SiC、GaN等第三代器件將會在英偉達800V DC架構中大量應用。而最近，ST也在其最新的白皮書中，展示了ST專為800V機架配電開發的高功率電力傳輸板（PBD）方案，詳細介紹了該方案的電源架構以及器件選型。

12kW GaN LLC轉換器

LLC轉換器因其軟開關能力和高效率，在高頻DC-DC轉換中被廣泛應用，ST針對數據中心推出了一種12 kW、1 MHz DCX 16：1堆疊LLC諧振轉換器。

ST表示，GaN晶體管可以實現超過1 MHz的開關頻率，這對于高密度數據中心電源至關重要。雖然平面變壓器和矩陣變壓器能提升性能和可擴展性，但它們傳統上工作在500 kHz以下且電壓較低。轉向800 V總線系統和更高功率密度需要1 MHz的開關頻率，這帶來了與電磁干擾（EMI）、損耗和熱管理相關的挑戰。

因此，這款LLC轉換器采用了GaN器件和新型的平面矩陣變壓器，基于10層PCB優化以實現最小損耗和高功率密度。堆疊LLC高效地將800 V轉換為50 V，達到98%的峰值效率。

堆疊式12kW DCX LLC拓撲結構框圖圖源：ST

疊層式LLC拓撲結構是兩個LLC轉換器組成，每個由400V電源供電（占800V母線電壓的一半），在輸入端串聯、輸出端并聯，從而降低主設備的電壓應力和次級設備的電流應力。

GaN晶體管實現1 MHz工作頻率，可減小無源元件尺寸，便于使用磁通抵消技術的平面變壓器，并提高功率密度。方案中平面矩陣變壓器采用八組元件變壓器的10層PCB變壓器，通過磁通抵消和先進繞組技術（對稱初級、交叉連接次級），可將損耗降低約30%，并提升熱性能。

堆疊式12kW DCX LLC轉換器最高效率可達98%，功率密度目標值為2600 W/in3。同時提供熱插拔功能。

在熱管理方面，該轉換器采用液冷設計，可將設備溫度維持在65°C，確保在高功率密度下可靠運行。

方案包含兩個6 kW功率轉換器級，每個級分別產生獨立輸出。每個轉換器級進一步分為兩個3 kW部分，以交錯模式運行，以最小化電壓紋波并減少所需電容數量。采用一個32位STM32G474ME微控制器單元（MCU）管理用于同步整流的主SGT023R70FTP氮化鎵器件（700 V，18 mΩ）和次級SGT1D5R10MEA氮化鎵開關（100 V，1.1 mΩ）。

矩陣變壓器設計與磁通分布來源：ST

另外，在方案中ST還選擇了一種新型的平面矩陣變壓器，這種變壓器是鑲嵌在PCB中，其優勢是低剖面設計、自動化制造、高重復性、優異的熱性能，以及在LLC轉換器中利用漏感作為諧振電感（L_r）的優勢。該矩陣設計通過磁通抵消技術縮小鐵芯尺寸，同時優化元件變壓器間的負載分擔，顯著提升功率密度。采用緊湊型UI鐵芯搭配雙元件變壓器，有效縮小設備外形尺寸。兩側的零氣隙側支路共享磁通量，既減輕頂板負載又優化了磁芯組裝結構。

繞組設計需確保主繞組與次級繞組之間形成有效隔離與屏蔽，同時控制漏感，使其不超過諧振電感L_r。通常采用夾層疊層結構，主繞組位于次級繞組之間。對于3千瓦以下功率且頻率低于500千赫的設備，設計中會采用加厚銅材并配備屏蔽層。然而，為了提高功率密度并達到1MHz開關頻率，銅層厚度被限制在2盎司以內，這既是為了減少渦流損耗，也是為了滿足HDI制造工藝的限制。因此需要采用2盎司銅的10層堆疊結構。使用2盎司銅層時，繞組需要采用多層并聯結構，導致電流分布不均，主要集中在初級與次級繞組的交界處。為改善這一問題，初級繞組采用了對稱交錯的并聯連接方式，通過平衡電流分布，成功將損耗降低了34%。

在次級繞組（所有繞組均并聯連接）中，無法像初級繞組那樣實現對稱結構。為此，我們提出了一種創新的單匝分段連接方案：通過采用類似利茲線的交叉連接方式，將疊片結構上下兩半的次級繞組進行交叉連接，使它們感受到相同的磁動勢（MMF），從而實現電流的均衡分配，并使次級繞組損耗降低約27%。通過同時采用這兩種策略，整體繞組損耗在1MHz頻率下可降低約30%。

800V-50V DC-DC方案

基于上述的12kW GaN LLC轉換器，ST開發出一款12kW高密度電源板，在50V輸出電壓下，可以以超過98%的峰值效率持續供電，同時功率密度超過2,500 W/in3。在這個電源板方案上，ST采用了1200V SiC MOSFET實現熱插拔保護，650 V GaN HEMT采用堆疊式半橋配置，用于主側直流-直流轉換，以及100 V GaN HEMTs用于二次側同步整流。

電隔離方面，采用STGAP芯片專有的硅基隔離技術，該技術經過現場驗證且已投入生產，通過強化電隔離，可安全地將信號傳輸至隔離屏障，從而提升安全性和可靠性。該技術專為高速開關設計，具有低傳播延遲和先進的內置保護功能。

在控制方面采用了載STM32G4混合信號微控制器，其搭載的Arm?Cortex?-M4核心可運行至
170 MHz。該系統集成了高性能模擬外設和硬件加速器，用于數學運算，其200皮秒以下的定時器分辨率可實現自適應零電壓開關（ZVS）的高精度高頻脈寬調制（PWM）。

變壓架構采用四組雙元件變壓器組合，通過縮小磁芯尺寸和散熱設計，使得鐵氧體磁芯體積更小，整體結構更加緊湊。同時通過封裝優化抑制寄生電感，采用雙面散熱確保高效的熱管理。

可以看到，對于800V-50V DC-DC中，GaN器件已經是實現高密度轉換器方案的首選。納微半導體在最近發布的白皮書中，也展示了一款10kW 800 VDC-50 VDC參考設計，在61毫米×116毫米×12毫米尺寸內將800V直流轉換為50V直流，同時還包含輔助電源和控制。

納微10kW，800V-50V DC-DC全磚解決方案 來源：納微半導體

納微的方案采用三級半橋LLC諧振轉換器，作為直流變壓器（DCX）運行。初級側的三級拓撲通過交替切換接地、半輸入電壓和全輸入電壓來降低電壓需求，從而提高系統效率。LLC采用兩個電感器和一個電容器作為諧振轉換器，利用軟開關技術實現最高效率。這使得平面磁體能夠提供最大集成度和最高開關頻率。同步整流級激活100V GaN FET，提供低導通路徑并支持最高頻率。同時該方案也采用了平面變壓器，納微表示，當使用高頻GaN器件時，平面變壓器具備低V?s、可消除磁芯飽和的特性，能夠降低整體損耗。

小結：

800V DC架構的核心理念在于，通過高壓直流降低傳輸損耗，同時減少AC-DC的步驟，提高機架空間利用率。因此，未來機架內部800V DC-50V DC將會成為架構中的關鍵之一，其高功率密度、小型化的需求下，GaN作為高頻與高密度電源的核心支撐，已經成為各家廠商的方案中不可或缺的一環。未來數據中心內部，GaN實現高頻高密度直流轉換器、SiC提供高壓保護和可靠性補充，將會成為行業主流的方案。