在数据中心领域，随着GPT等前沿技术的快速发展，电力消耗呈现出前所未有的增长趋势。自2022年起，小型数据中心的服务器规模已扩大至500至2000台，其用电量可能高达5兆瓦。

而大型数据中心更是拥有数万台服务器，电力需求介于20兆瓦至100兆瓦之间，能耗规模几乎与一座中型城市相当，这一趋势极为显著且引人深思。

这一系列变化无疑对相关产业产生了深远的影响。从能源供应层面来看，发展新能源及核电产业将成为解决能源供应问题的有效策略。在中国，无论是新能源产业，还是沿海地区的小型核电站的建设，都已取得了显著成就。

此外，电动汽车行业的蓬勃发展，人们对高续驶里程和快速充电的明确需求，进一步加剧了电力需求包括相关功率变换装置的大容量化的发展趋势，给功率变换装置，包括装置内的磁性元件提出新的技术挑战。

为此，Big-Bit资讯特别邀请了磁技术专业委员会副主任委员、南京航空航天大学的陈乾宏教授，结合其在学术年会上的公开演讲内容，深入探讨功率变换技术与磁性元件在应对大数据及新能源挑战中的创新与发展趋势，旨在为行业提供有价值的见解与指导。

磁技术专业委员会副主任委员、南京航空航天大学陈乾宏教授

01.新时代背景下功率变换技术面临的技术挑战

数据中心作为技术高速发展的典型案例，可以相当程度反映新时代背景下功率变换技术面临的技术挑战。

如今，传统机架的电源功率需求已然大幅提升，从以往较为常规的水平跃升至 21kW 至 40kW，按照这一发展势头，未来甚至突破100kW 的高位;

与此同时，单片 CPU 的功耗持续上扬，从 750W、800W 一路攀升至 1000W，单芯片电流呈现急剧增长态势，最大电流超过1000A，且动态电流变化率愈发苛刻(可达到1200A/uS)，这无疑给整个供电系统带来了巨大压力。

02.数据中心电力进阶之路：多维度供电革新

在数据中心的快速发展进程中，电力需求的急剧攀升使得高压问题日益凸显，机架电源输入电压与功率需求的不断提升给功率变换技术带来了前所未有的严峻考验。

(1)供电侧，从单相——三相，从低压交流——高压交流

早期数据中心多采用单相供电，但随着规模与功耗的迅猛增长，三相供电逐渐成为主流。这一转变极大地增强了电力传输的稳定性与效率，但要求后级DC/DC变换能够适应三相PFC整流得到的高压直流母线。

目前国内采用380V线电压，美国为480V线电压，经三相功率因数校正后的直流母线电压可达到1000Vdc。考虑电能需求的激增，未来交流供电甚至会抬升到600V，直流母线电压会超过1200Vdc，对后级DC/DC变换器的设计带来挑战。

(2)容量扩展：从单通道——多通道

为了适应大容量的扩展需求，电源内部的架构也从单通道向多通道并联或者组合来实现。多通道的电源架构，能够支撑数据中心日益增长的功率需求，灵活适配不同规模的机柜与服务器集群，轻松应对容量的爆发式增长，确保扩容后的稳定供电，为业务拓展筑牢根基。

(3)低压直流母线：从12V——48V

低压直流母线的变革同样引人注目，从传统的 12V 提升至 48V。更高的电压意味着更低的电流，从而降低线路损耗，减少散热压力，提升了能源利用效率，为数据中心 “节流”。这使得设备运行更加可靠，运维成本显著降低。

(4)芯片供电：从水平供电——垂直供电

在芯片供电层面，水平供电曾是标配，但随着芯片性能进阶，垂直供电崭露头角。它缩短了供电路径，降低了电感，减少供电延迟，让芯片得以在高频状态下稳定运行，为数据中心的算力飞跃提供有力支撑。

03.堆叠半桥电路拓扑出击 破解高压难题

尽管供电侧的变革在一定程度上缓解了数据中心的电力压力，但高压问题依然是关键难点之一，而堆叠半桥电路拓扑或全桥电路拓扑作为一种三电平电路拓扑，在高压大变比场景下凭借自身独特优势备受关注，成为行业研究的焦点之一。

(1)堆叠半桥电路拓扑原理与优势

堆叠半桥电路拓扑利用输入端大电容实现均压，电路拓扑具有良好的对称性，无需预充电即可有效解决动态均压问题。

堆叠半桥电路拓扑

在控制方式上，堆叠半桥电路拓扑主要有两种策略。其一，Q1 管和 Q2 管互补导通，当 Q1 和 Q4 导通时，输入电压 Vin 减去 Cr 上的电压施加于变压器，此时输入激波较高;

其二，采用类似半桥电路拓扑或三电平电路拓扑的控制方式，通过调整导通组合实现不同供电模式，使电路拓扑能在全桥与半桥工作方式间灵活转换，适应更宽的电压范围。由于大变比已通过隔直电容降压处理，该电路拓扑特别适用于大变比应用场景。

总体而言，堆叠半桥电路拓扑与 LLC 具有良好的继承性，其动态性能和开机状态相较于传统三电平变换器有显著提升。此外，堆叠半桥电路拓扑还可进行相数和电平数扩展，进一步增强了应用的灵活性与广泛性，为高压环境下的功率变换提供了可靠的解决方案。

(2)堆叠半桥电路拓扑性能量化与对比分析

通过对堆叠 LLC 变换器设计的性能量化分析可知，设计时首要考虑基本软开关需求，并据此对励磁电感进行详细推导与分析。在相同输入输出条件下，与双边平衡电路相比，堆叠半桥电路拓扑的匝比存在差异，导致一次侧感抗值不同。

堆叠半桥电路拓扑输入感抗值 Zin 相对较小，电流值也相应减小，这使其在效率上相较于传统两电平变换器具有明显优势。尽管匝比减小可能带来某些参数变化，但电流未增倍，仍能保持较高效率。

堆叠半桥电路拓扑变压器体积评估

在尺寸方面，相同输出电压 Vo 条件下，堆叠半桥电路拓扑的整体尺寸和功率密度相较于两电平 LLC 电路也具有优势。

可见，堆叠 LLC 变换器在高压场合性能卓越，在效率和尺寸方面表现突出，为磁性元件行业和电路技术发展注入了新活力，有力推动了相关技术在数据中心等高压应用场景中的应用与发展。

在高压难题上，堆叠半桥电路拓扑给出了有力的应对之策，但数据中心的复杂性使得其他方面的挑战依然存在，比如高动态电流的应对就是接下来需要重点关注的问题。

04.TLVR电路拓扑登场 驯服高动态电流的利器

面对高动态电流的严峻挑战，行业内创新性地推出了 TLVR电路拓扑方案。

(1)TLVR电路拓扑的技术原理

TLVR电路拓扑解决方案将多相 BUCK 电路拓扑与耦合电感相结合，其中陈为老师最早提出的 TLVR电路拓扑应用方案，旨在应对极高的动态电流需求。多相交错技术自然引导采用耦合电感，既能减小元件尺寸，又可改善滤波效果，从而提升电路整体性能。

在交错并联情境下，耦合方式的选择至关重要。电流方向相同时，同向耦合为优选;交错并联时，反向耦合能更有效地减小动态电感、增大稳态电感，对应对负载突变时的动态电流需求尤为关键。

(2)动态性能优化策略与实践

面对负载突变带来的高动态电流，TLVR电路拓扑或耦合电感设计需优化性能。动态条件下，交错并联结构采用反向耦合更适宜，且可通过调整多路电路拓扑相数关系进一步优化。

具体而言，确定电感集成方式后，改变相数关系可使磁场叠加产生反向效果，减小等效电感，提升动态电流变化率。

为解决多路电路拓扑布局局限，TLVR电路拓扑创造性地引入第三绕组作为公共电流媒介。第三绕组在减小动态电感方面发挥关键作用，是提升拉载率或 DIDT 性能的核心。通过利用这一中介，工程师能更有效地管理TLVR电路拓扑动态变化，优化整体性能。

英飞凌多相TLVR电路拓扑

英飞凌的多相 TLVR电路拓扑在第三绕组基础上进一步创新，在绕组中间加入补偿电感 Lc。稳态时可减少不必要电流流动，动态变化时利用该结构电流通讯，显著减小动态电感，提高效率并增强电路响应速度。

多相TLVR电路拓扑具有多相灵活性，相耦合均匀、系数可调、设计便捷，可消除高值输出电容器，节省空间和成本，便于布局等优点。在动态突变时优势显著，为满足数据中心高动态电流需求提供了有效途径。

基本TLVR电路拓扑

在实现 TLVR电路拓扑过程中，方法多样。有的方案采用分立电感，通过第三绕组直接关联;有的则将相关元件整合至一个磁元件上引出。

在大电流应用场景中，绕组设计至关重要。传统铁包铜结构可能需调整，如弯曲或采用特殊工艺使磁心与铜导线紧密结合，以提升性能。

TLVR电路拓扑方案在应对数据中心高动态响应方面成效显著，成为了行业内的创新典范。然而，数据中心的发展对技术提出了多维度的要求，在追求高功率密度的道路上，HSC 电路脱颖而出，成为技术创新的焦点所在。

05.聚焦大降压比高功率密度战场 HSC电路拓扑受瞩目

在谈及数据中心电源供应单元(PSU)的常规方案时，高频 LLC 电路拓扑与 GaN 器件的结合无疑占据着主流地位，在实际应用中展现出卓越的性能表现，有力地保障了数据中心的电力供应。

与此同时，HSC 电路拓扑也在数据中心 PSU 领域异军突起，成为实现高功率密度目标的重要方案之一，备受行业关注。

HSC电路拓扑在特定条件下表现出色，尤其在直流(DC)转换方面展现出优异性能，但在调宽应用方面则存在一定的局限性。凌特公司的LTC 7821作为早期推出的优秀产品，其采用了复用管的设计理念，引领了行业发展。

追溯HSC电路拓扑的演变，2005年创新性地将开关电容与Buck变换器相结合，形成了新型电路拓扑结构。

通过重新绘制和整理这一电路拓扑，我们可以清晰地看到，其中Q1和QSW是互补的。同时，开关电容被巧妙地拉至输出端，形成了完整的电路拓扑形态。该电路拓扑与全波整流电路拓扑在结构上存在天然的相似性，为后续研究提供了重要启示。

在此基础上，我们可以进一步扩展电路拓扑结构。通过在左边构造一个桥壁，并在右边以对称的方式再构造一个桥壁，我们可以得到更加复杂的电路拓扑形态。这一电路拓扑形态在2006年由一位韩国教授提出，并成为了现在广泛使用的HSC电路拓扑的雏形。

在HSC电路拓扑中，开关电容器起到储能和提供电源的作用，而下面的两个部分则类似于两个Buck变换器或整流电路。通过耦合电感等创新设计，电路拓扑性能得到显著提升。

J·A·Cobos教授在2020年提出了一个创新的电路拓扑结构，将输出整流部分与输入部分直接整合，使得部分电流可以直接从输入侧传递到输出侧，而无需经过磁元件。这一结构类似于自耦变压器式的飞跨电容电路拓扑。并在此基础上增加了两个绕组，以适应大变比的需求。

绕组的加入使得电路拓扑分析变得更加复杂，但它带来的结果是显著的：降低了增益，适应了大变比的需求，并改善了波形特性。具体来说，它会使副边二极管或整流器的导通角变宽，从而降低其有效值并提升效率。

将矩阵变压器在原边串联并整合到电路中，得到了更加高效稳定的电路拓扑结构。与 LLC 电路拓扑相比，HSC 电路拓扑损耗减小、效率提高、功率密度提高，满足大变比场合的需求。

06.磁性元件的优化

针对数据中心电源所面临的高压大容量、大电流、大降压比、高动态的技术挑战，以及应用场合对高效率和高功率密度的极高追求，磁性元件如电感与电子变压器也在不断进步并发挥着独特的作用。

从前面可以看到，在数据中心电源中，TLVR电路拓扑方案巧妙利用耦合电感满足大电流和高动态的需求，HSC电路拓扑利用自耦变压器加多绕组耦合在大降压比下实现高效高功率密度，将HSC电路拓扑与矩阵变压器结合，又可以进一步提升HSC电路拓扑的输出电流能力。

无论是什么应用领域、何种技术方案，磁元件集成都是进一步优化系统性能的通用手段。

磁性元件的集成本身没有太强的物理约束。即使交变磁通不等，公用铁心，磁通仍然会自动找到闭合路径从空气中闭合。但不同的集成方案其感量、损耗等会有显著差异，这就会有方案优化的需求。

磁芯复用，也可以称作磁通抵消，这是磁集成的最常用的思路。李教授团队提出的四磁柱集成方案便是矩阵变压器磁集成方案的典型代表，相比于一维扩展的集成方案，其通过闭式的磁芯复用达到了极优的“省铁”的效果。

台达公司在2018年申请的相邻磁柱磁通反向的专利，把“磁通抵消”的思路拓展到了多种变压器集成方式，尽管我们可以从很多年前变压器的 8 字形绕组结构、以及2009 年金升阳公司申请的专利中看到类似的思想，但这依旧给同行设置了技术门槛。

多种磁元件集成成为打破专利限制的最直接的方法。我们看到磁元件的集成便从矩阵变压器到矩阵变压器+谐振电感，从LLC电路拓宽到CLLC;从利用初级侧的谐振电感与变压器的集成优化为变压器与次级的谐振电感集成。绕组复用、不同相位的磁场叠加的思想在磁集成中也以不同的实现形式呈现出来。

磁元件集成的门槛并不高，其底层的思路并不难理解，如磁通抵消、矢量合成等，尽可以大胆尝试与创新。但要做出一个好的有生命力的设计并不容易。

一是需要好的电磁设计。如高频应用中的线圈优化，就包括绕组的结构、放置、绕组与磁场的配合、甚至磁场的整形与优化等等，这需要大量细致深入的工作。

二是需要考虑结构、强度和环境适应性。包括强度、散热、耐腐蚀等具体限制。

三是要考虑生产工艺和物料成本。能否减小一道工序、能否节省铜材，能否保证成品率，都成为磁元件优化必须考量的内容。

对于磁性元件，结构上的一点创新就可能带来很大的商业价值。未来，需要人工智能技术的介入来提高磁元件的设计及优化效率。

总之，磁性元件行业创新之路永无止境。无论是专利申请还是技术突破，都需要持续学习与探索。我们鼓励关注行业优秀报告和研究成果，汲取灵感与动力，勇于实践创新，共同推动磁性元件行业不断发展进步，为大数据及新能源背景下的功率变换技术提供更强大的支撑。

07.结语

在当今数字化浪潮的强力推动下，数据中心的多电智能化发展势头迅猛，这对功率变换技术提出了极为严苛且多元的要求。

三相供电技术革新、堆叠半桥电路拓扑、TLVR电路拓扑方案及 HSC电路拓扑等创新成果，已然成为支撑数据中心稳定运转的中流砥柱，显著提升了其性能与效率，有力推动了可持续发展进程。

而磁性元件在这一系列变革中始终扮演着不可或缺的关键角色，其不断优化与创新，与各类先进技术紧密协同。

展望未来，随着科技的持续创新突破，功率变换技术与磁性元件必将深度融合人工智能、新型材料科学等前沿成果，在智能化、高效化、小型化的发展道路上大步迈进，共同铸就数据中心及相关领域更为辉煌的技术新篇。