損耗↓15%！AI服務(wù)器電源變壓器解法新思路

如果說算力芯片決定了AI服務(wù)器的性能上限，那么AI服務(wù)器電源系統(tǒng)則直接影響其效率與穩(wěn)定性。

近年來，隨著GaN、SiC等第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用加速，AI服務(wù)器電源的開關(guān)頻率不斷上探，從百千赫茲邁向數(shù)百千赫茲甚至接近兆赫茲區(qū)間。

在這一過程中，變壓器產(chǎn)品所承受的工作條件已明顯不同于傳統(tǒng)服務(wù)器時代。高頻化帶來的損耗放大、散熱受限以及寄生參數(shù)問題，使變壓器產(chǎn)品逐漸成為制約電源系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的重要變量。

在這樣的技術(shù)環(huán)境下，變壓器廠商如何回應(yīng)終端變化，正在成為行業(yè)關(guān)注的焦點。

服務(wù)器電源 圖/包圖網(wǎng)

01 頻率高達(dá)MHz，AI服務(wù)器電源對變壓器提出新要求

從應(yīng)用現(xiàn)狀看，當(dāng)前主流AI服務(wù)器AC-DC電源的開關(guān)頻率已提升至90–120kHz，高端領(lǐng)域的開關(guān)頻率已達(dá)到200–300kHz。

在48V→12V等非隔離模塊中，工作頻率在GaN、SiC器件的推動下進(jìn)一步提升至800kHz-1MHz甚至更高。頻率的躍遷，直接放大了磁芯損耗和繞組交流損耗，趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)以及EMC問題同步顯現(xiàn)。

與此同時，功率密度的持續(xù)提升，使得變壓器內(nèi)部熱流密度高度集中，傳統(tǒng)的變壓器產(chǎn)品設(shè)計方式已難以應(yīng)對。如何在有限體積內(nèi)平衡損耗、溫升與可靠性，成為AI服務(wù)器電源用變壓器產(chǎn)品繞不開的核心課題。

AI服務(wù)器用電感變壓器 圖/峰亞電子

02 變壓器損耗降低15%，峰亞電子的材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

針對高頻應(yīng)用中的主要矛盾，深圳市峰亞電子有限公司研發(fā)總監(jiān)黃文華對《磁性元件與電源》分享了他們的解決方案。峰亞電子將設(shè)計重心放在“磁-銅損耗均衡”上，而非單一指標(biāo)的極限追求。

在變壓器材料選擇上，通過采用高磁通密度、低損耗且截面積更大的磁芯，在保證磁密可控的前提下降低繞組匝數(shù)，從而減少直流電阻和基礎(chǔ)銅損。在實際項目中，匝數(shù)降低約40%。

在繞組層面，峰亞對利茲線的復(fù)合絞合方式進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，通過不同線徑組合來抑制高頻下的趨膚效應(yīng)，并配合變壓器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計降低分布電容與鄰近效應(yīng)影響。同時，對磁芯進(jìn)行分段與氣隙優(yōu)化，以減小渦流損耗。

多項手段協(xié)同后，變壓器整體損耗可降低約15%，為AI服務(wù)器整機(jī)帶來3‰左右的效率改善。

圖/峰亞電子

在變壓器工藝結(jié)構(gòu)上，峰亞通過多種針對性設(shè)計協(xié)同來降低變壓器產(chǎn)品交流銅損。具體來說：

通過不同規(guī)格線材的組合應(yīng)用，有效抑制變壓器高頻條件下的趨膚效應(yīng);在繞組結(jié)構(gòu)上，引入低分布電容的繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從源頭降低鄰近效應(yīng)，同時減少分布電容對高頻性能的影響;在磁路結(jié)構(gòu)上，通過磁芯分段氣隙設(shè)計，削弱渦流效應(yīng)帶來的附加損耗。

變壓器工藝設(shè)計圖 圖/峰亞電子

在此基礎(chǔ)上，峰亞還輔以變壓器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層面的強(qiáng)風(fēng)道設(shè)計，使線包內(nèi)外的溫升分布更加均衡，加大繞組整體散熱能力，避免因線包溫升過高而引發(fā)線材交流電阻(ACR)上升，進(jìn)而形成損耗與溫升相互放大的負(fù)反饋式惡性循環(huán)。

通過上述變壓器產(chǎn)品工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計手段的綜合應(yīng)用，線材交流電阻最高可降低約20%，從而最大限度地降低有效銅損，并可根據(jù)功率等級的不同，為整機(jī)系統(tǒng)帶來約1-2‰的效率提升。

03 從協(xié)同設(shè)計入手，破解AI服務(wù)器電源的系統(tǒng)性難題

在峰亞電子看來，與電源客戶開展電感變壓器產(chǎn)品的早期協(xié)同設(shè)計，是從根本上解決AI服務(wù)器電源電感變壓器高頻損耗劇增、散熱難度大、體積與性能失衡以及寄生參數(shù)干擾等核心痛點的必要前提。

其價值并不僅體現(xiàn)在單一性能指標(biāo)的優(yōu)化，而是貫穿于痛點的精準(zhǔn)識別、技術(shù)方案的可落地性、成本與周期的可控性，以及可靠性風(fēng)險的提前釋放等多個維度。

這一思路在實際項目中已有明確體現(xiàn)。2022年11月初，峰亞電子接到一項30kW數(shù)據(jù)中心非隔離電源電感變壓器的定制化需求。

項目啟動后，公司迅速組織專項團(tuán)隊，對客戶需求進(jìn)行系統(tǒng)評審與分解，并同步推進(jìn)設(shè)計與驗證工作。

到當(dāng)年12月底，僅用約兩個月時間便完成了變壓器功能樣品的制作。得益于前期充分的溝通和協(xié)同設(shè)計，該項目樣品在首版即通過功能測試，變壓器產(chǎn)品效率提升約3‰，同時實現(xiàn)了約30%的成本下降。

變壓器樣品 圖/峰亞電子

04 立足AI服務(wù)器應(yīng)用，跟隨但不缺位

在AI服務(wù)器電源領(lǐng)域，峰亞電子對自身的定位相對清晰。目前公司仍以行業(yè)跟隨者的角色，緊密跟進(jìn)頭部企業(yè)的技術(shù)路線與應(yīng)用方向展開布局。

其主力市場之一集中在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，而該應(yīng)用場景在供電架構(gòu)、功率等級和可靠性要求上，與AI服務(wù)器電源具有較高的重合度。

在技術(shù)儲備方面，峰亞已積累了較為系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，并通過實際項目驗證了相關(guān)能力。公司曾參與第三代“巴拿馬項目”(HVDC項目)，作為非隔離電源磁性器件的核心供應(yīng)商之一，與多家業(yè)內(nèi)頭部企業(yè)展開深度合作，這也從側(cè)面反映了其在數(shù)據(jù)中心電源領(lǐng)域的成熟度與工程適配能力。

此外，圍繞巴拿馬項目延伸出的新方向——固態(tài)變壓器，峰亞電子同樣保持了相對理性的判斷。公司認(rèn)為，這一技術(shù)路線具備明確的發(fā)展?jié)摿Γ壳叭蕴幱谳^早階段，距離規(guī)模化應(yīng)用尚有距離。

綜合行業(yè)節(jié)奏判斷，固態(tài)變壓器的應(yīng)用階段因行業(yè)而異。在電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，其技術(shù)應(yīng)用已較為成熟，但在AI服務(wù)器、充電樁等新興場景，該技術(shù)仍處于解決方案定制與測試階段

在此之前，峰亞更多是與客戶保持前端技術(shù)協(xié)同，通過方案研究、方向探索和樣品測試等方式提前介入，為未來技術(shù)演進(jìn)積累設(shè)計和驗證經(jīng)驗，而非盲目推進(jìn)量產(chǎn)。

AI服務(wù)器電源的高頻化趨勢，正在不斷抬高磁性元件的技術(shù)門檻。從材料選擇、工藝結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)協(xié)同，變壓器已不再是可以“后置優(yōu)化”的環(huán)節(jié)。

峰亞電子的實踐路徑顯示，在高頻與高功率密度成為常態(tài)的背景下，唯有回到工程本身，通過可驗證的效率提升與可靠性表現(xiàn)，電感變壓器才能在AI電源體系中真正發(fā)揮應(yīng)有的價值。

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