对话：氮化镓来了！如何破解服务器电源高频损耗难题
来源:宽禁带半导体技术创新联盟发布时间:2023-05-082076浏览
询问 AI
对话导览：
一、第三代半导体材料在服务器电源的应用现状二、使用氮化镓材料后，服务器电源对电感变压器提出的要求三、使用氮化镓材料后，服务器电源对磁芯提出的要求四、使用氮化镓材料后，服务器电源对线材提出的要求五、第三代半导体材料发展前景及趋势
对话内容：
一、第三代半导体材料在服务器电源的应用现状
服务器电源功率从300W—3000W都有，目前服务器电源主流功率段大概是多少？未来功率有没有可能往更高发展？欧陆通张新芳：主流为800W—2000W，现在已在开发3200W，会往高功率发展，但需求量不会那么快。长城科技王永安：目前电源有单独使用也有并联使用的。当前服务器电源主流功率段在600W—1000W左右，并联使用后使功率加倍。未来功率可以往更高发展，单个电源功率做的更大之后，其单位功率的成本可以降低。二、使用氮化镓材料后，服务器电源对电感变压器提出的要求1、为顺应第三代半导体材料发展需求，需要对电感变压器重新设计，您认为对电感变压器提出哪些设计要求？福州大学陈为：采用第三代半导体器件后，主要是提高开关频率，以降低磁元件体积，提高功率密度。但高频下，体积有所减小，但磁元件损耗显著增大，这就要求开发和采用适应高频的磁芯以降低磁芯损耗，优化绕组涉及以降低绕组损耗，同时要关注磁性元件的散热。此外，采用氮化镓器件，除了开关频率提高外，开关过程的上升沿也会变陡，增大了电磁干扰的频谱频率和幅值，这就对电磁干扰滤波器提出了更高的性能要求，需要关注更宽频段的插入损耗特性，也就是要更加关注电磁干扰滤波电感器的杂散分布参数控制。浙江工业大学车声雷：到高频阶段，变压器的形状基本上朝着平面变压器变化。也就是说变压器腿部变短，背板变大，这样使得变压器暴露在外边的部分面积增加，散热变快。加上尺寸较短，整体来说损耗能降低一些。欧陆通张新芳：电感，变压器需要更扁平化，集成化设计，配套的电感变压器在设计时就需要考虑更高的工作频率范围，如确保高频、高温工作状态下的磁芯不致饱和，所用线圈材料能承受足够的耐温，电感变压器的结构需确保既可满足高温、高功率密度的要求，又不致在高频下出现分布参数的负面影响。艾默生聂洪涛：这个得看具体情况。为了实现不同的功效，有些屏蔽效果好一点，有些绕线方便一些，有些体积更小，主要是看应用场景的选型，使用第三代半导体的话，频率提高之后，磁性元器件上很多绕线绕到一起，各种寄生参数如趋肤效应明显。降低趋肤效应也会对EMC提出要求，主要体现在降低磁频率这一块，频率变高以后趋肤参数影响会更大，EMC对于变压器绕组间的集成电容控制有更高的要求。
2、在服务器电源中，涉及的磁元件产品种类也比较多，使用氮化镓材料后，具体对哪些磁元件产品会提出更高的要求？福州大学陈为：服务器电源，一般指的是前端PFC和后面的DC/DC。目前主流电路拓扑是维也纳PFC电路和LLC电路。采用氮化镓器件的主要目的就是提高频率，从而降低磁性元件的体积和重量，提高功率密度。而磁性元件在电源中的空间和重量占比都是比较大的，其中包括了PFC电路的电感器，LLC电路的变压器和谐振电感器，以及电磁干扰滤波电感器。所以说，使用氮化镓后，无论是电感器、变压器，还是电磁干扰滤波器，都会提出更高的要求。欧陆通张新芳：对于使用氮化镓器件的服务器电源，为配合发挥氮化镓材料的高频、高温工作特性，相对适配传统的硅半导体材料而言，对变压器和电感器的用料和设计都有更高的要求，要求电感、变压器有更高的频率饱和特性，更小的高频分布参数等。力王欧阳顺昌：对磁芯和线材都提出了要求。磁芯选择铁氧体磁芯，线材选择铜线或者多股绞合线都能达到降低趋肤效应，减小损耗的作用。有些材质在高频的时候，损耗会较小。粉芯材料在高频下损耗就非常大，铁氧体软磁相对而言损耗就比较小。线材的话，根据工作频率、电流密度和趋肤深度，应该选线径比较小、扁平的薄细线比较好，如多股绞合线。使用细线还要考虑安全安规问题。艾默生聂洪涛：使用氮化镓的话，第一是对磁材提出高频化要求，在高频情况下，磁损要做的更低；第二是磁材功率也要做大；第三是线材，使用膜包线可以一定程度上降低趋肤效应。三、使用氮化镓材料后，服务器电源对磁芯提出的要求1、随着第三代半导体材料的逐步应用，对频率要求更高，据我们了解理想频率应达到300KHz以上。对磁芯来说，您认为频率应达到多少才会满足需求？对磁芯的选材有什么要求？福州大学陈为：提高频率，对磁性元件来说，是为了降低体积，但磁元件损耗也会上升，这就导致损耗密度增大，从而温升增大，这就是高频化下的瓶颈制约，也就是磁元件设计的关键所在。多大频率合适，主要取决于磁芯的损耗特性，一般可以用磁芯的性能因子，也就是一定损耗密度下的工作频率f和磁通密度B的乘积，磁芯性能因子可以从磁芯厂家手册中获得，也可以测量获得。从设计理论上看，在根据磁件的设计体积和散热条件确定合适的损耗密度的情况下，可以选择对应最大磁芯性能因子所对应的频率。当然，选择频率，也要考虑开关器件的损耗限制。浙江工业大学车声雷：我们认为500KHz以上算高频了，目前主流的频率在200KHz—1MHz之间，比较成熟的是在800KHz以下，1MHz以上的应用较少。从材料开发角度来讲，2MHz和3MHz的磁性材料性能是最好的。
我觉得现在的材料和电源方案都还未完全定型，比如TDK、日立、飞磁这三家的材料体系在3MHz以下虽已实现系列化，但我们做了相关的材料研究，在相同的工作条件下可以把损耗降低90%。在第三代半导体材料应用下，电源本身的工作方式（产品方案）有了很大的改变，特别是200KHz—1MHz频率段，比如现在快充头采用新的变频方式，当负荷发生变化时，不是通过电流调节，而是改变工作频率，加上使用第三代半导体材料的使用，可以从空载到满负荷整个区间内获得比较高的效率。
电源这种工作方式，对于传统材料来讲是比较苛刻的。传统材料基本上都是定频的，在某个频率下把性能优化到较好的状态，变频会脱离它的最佳状态。过去的定频基本上在100KHz，现在要到200KHz这个范围工作，所以开发材料的时候就要考虑工作频率要高一点，同时还要能适应变频的要求，在整个频率范围内不管哪个点上性能都要好才行。
图为铁氧体环形磁芯来源包图网对磁性材料来说，整个材料开发的思路完全改变了，原来材料再改进也没有用。举几个比较明显的例子，比如高频状态下，首先晶粒尺寸不能大，过去高导铁氧体粒径是十几微米到二三十微米甚至更大，功率铁氧体是15微米左右，金属磁粉芯是五六十微米到200多微米。不管配方怎么配，不会有好的高频性能。想要在高频下达到较为理想的性能，铁氧体晶粒尺寸不能超过5微米，磁粉芯要到10微米以下才可以。这么小的粒径对磁性材料提出了全新的要求，需要从粉料配方、工艺条件都需要进行革新。欧陆通张新芳：建议磁芯的最佳工作频段在100KHz-1MHz；高温的Bmax需要对应提升，磁芯选材方面要求选用具有高频高Bs、高频低损耗、宽温低损耗等特性的材料，目前铁氧体磁芯仍是优先。在一个电源中磁芯的用量视不同输出功率、不同拓扑方式而异，无法一概而论。长城科技王永安：氮化镓的工作特性就是允许工作在高频位，例如可以到1兆。频率到1兆之后磁性材料是不能承受了，这个损耗非常大。因此对磁性材料提出高频的要求。对磁芯来说，满足需求应该在500K或以上，不一定要到1兆。现在频率跳跃幅度不要太大，要一步步往上升。磁性材料不能跳跃式，因为现在磁性材料实际使用状态在150K—200K范围内，超过这个范围磁性材料就承受不了了。当频率提高的时候，传导辐射问题会带来很大的困难，需要解决EMC问题。所以需要相关企业联动解决频率提高带来的问题。高频化之后，铁氧体磁芯用的多一些，金属粉芯就用的少，因为金属粉芯的工作频率上不去。一个电源里边的电感器和电子变压器都是用磁性材料做成的，这一部分占的价值比例为大致在8%、18%、20%。艾默生聂洪涛：频率的话主要看磁材，一般铁氧体我们会选择性能比较好的，没有看频率，会看它的损耗曲线，也就是单位损耗。一般我们会采用低损耗的磁材。具体选什么样的磁材就要看应用场景了，如果功率几百千瓦的话，基本上就是铁氧体的范畴。像铁硅铝、铁硅这些磁粉芯具有比较大的直流特性。逆变电感、pfc电感这些基本上都会用到铁氧体软磁。2、采用第三代半导体器件后，开关频率提高，对磁元件提出了更高的频率要求。据我们了解理想频率应达到300KHz以上，整机企业建议建议磁芯的最佳工作频段在100KHz-1MHz。贵司目前频率多少？通过什么方案提高频率？微硕谭福清：微硕目前中高频的锰锌功率铁氧体材料PG352，应用频率为100~500kHz；锰锌高频低损耗材料PG102应用频率可达5MHz，典型应用频率500kHz-3MHz，可以覆盖整机企业的全部频率需求范围。我们主要通过优化主配方、适当调整烧结温度和气氛、细化晶粒结构、增加晶界电阻、降低涡流损耗的方式来提高材料和磁芯的应用频率。尚朋杨仕机：我司目前已经量产从300KHz到3MHz的系列高频材料，材料型号包括SSP-5；SSP-96F；SSP-51；SSP-53等。我们通过对材料的配方、制粉工艺的调整和改善烧结工艺等措施，降低材料在高频场合下的损耗，从而使产品满足高频环境下的工作性能。不同的材料型号适配不同的频率场合，这一系列高频材料主要应用于高频电源变压器，功率电感器和光伏逆变器等。万宝赵轩：绝缘线对频率没有决定性影响，但是不同频率的变压器在绝缘线的选择上会有一定的差异，差异主要在绝缘线绝缘材料的耐温等级、绝缘线导体的耐电流值及耐压值等。我司生产的绝缘线能满足几乎所有频率段的需求。我司主要通过多元化的导体种类和导体结构设计，以及绝缘材料选型、绝缘层工艺多元化的开发来提高产品在高频率上的实用性。3、整机企业反应，为了降低高频损耗，磁芯选材方面要求选用具有高频高Bs、高频低损耗、宽温低损耗等特性的材料。贵司产品BS值多少？通过什么方式减小损耗？微硕谭福清：微硕高频低损耗材料PG102常温Bs达550mT，高温100℃ Bs达435mT，可以满足绝大多数应用场合对Bs的要求。降低高频损耗的方式，根据应用场景可分为两种情况：（1）磁通密度50mT以下，磁芯的损耗主要来源于高频涡流损耗，因此降低涡流损耗能有效降低磁芯的高频损耗。降低涡流损耗的方法主要就是降低烧结温度、添加高电阻率添加剂，降低烧结温度同时配置高的氧含量，可抑制二价铁离子的增长，获得比较高的电阻率。微硕的PG102材料应用频率0.5-3MHz，具有很低的高频损耗，非常适合应用在磁通密度在50mT以下的低磁场场景。（2）磁通密度50mT以上，这个时候单纯的降低涡流损耗是没有办法获得比较好的高频低损耗特性的。在降低涡流损耗的同时还需要降低磁滞损耗。而磁滞损耗的产生主要是由磁畴壁不可逆位移产生的。在弱场的时候产生不可以壁移比较少，也比较容易控制，在强场的时候，要控制磁畴壁不可逆位移，就得通过比较特殊一些方式，关键点是通过降低磁芯内应力从而让磁畴壁不可逆位移减少。微硕的FP53材料正是高频大磁场专用材料，专门应用在大磁场的场合，应用频率可达1-5MHz。尚朋杨仕机：锰锌铁氧体软磁材料损耗是由磁滞损耗，涡流损耗和剩余损耗三部分组成。在高频工作环境下（400KHz以上），以涡流损耗和剩余损耗为主。降低涡流损耗和剩余损耗的方法一般是通过配方中添加易形成晶界高电阻层的改性添加剂及高效研磨和低烧结温度获得接近单畴的细小晶粒来达成减小损耗的目的。四、使用氮化镓材料后，服务器电源对线材提出的要求1、应用第三代半导体材料后，产品频率提高的同时损耗也更高，就降损耗而言，对线材提出了哪些要求？福州大学陈为：线圈的损耗取决于线圈的结构设计和线规选择。对于绕线式线圈，一般采用三明治结构，在此基础上，根据工作频率设计具有最低铜损的线规。在较高频率下，多股绞线得到广泛应用，这里就涉及到多股绞线的股径和股数的最优化选择，比一般的圆导线的设计更为复杂。从线材本身来说，多股绞线的工艺也需要提高，以尽量提高铜利用率。降低每股导线的绝缘层厚度，避免断股，尤其对于较细股径和较多股数的多股绞线。另外，为了高功率密度，往往绕组的温升会比较高，这就要求提高线材的温度等级。浙江工业大学车声雷：高频的效果在于两方面：一方面，首先是f乘b这个功率因素提高，在高频下首先可以把电源做小；另一方面电源做小的同时，能效还要提高。在维持能效这一块，几乎所有的软磁材料，都随着使用频率的升高，损耗急剧增加。剩余损耗基本上都是在500KHz以上才出现的。在高频领域的话，剩余损耗这部分占的比例会越来越高，甚至到MHz这个阶段，损耗会超过一半。降损耗的话，从材料角度讲，首先粒径要减小，粒径减小最明显的在于频率高了以后涡流损耗会增加。如果晶粒尺寸能压缩到微米级的话，涡流损耗会降得很低。涡流损耗跟频率两次方成正比的，所以涡流损耗先降下来，接下来剩余损耗也要降下来。剩余损耗原因很复杂，我们认为是跟磁畴共振关系比较大的。目标就是要尽量减少磁畴壁的数量，减少在磁化过程中磁壁的移动，这样磁损耗就能降下来。总体思路就是降低晶粒尺寸，大致做到单畴。目前国内铁氧体的生产工艺能满足压缩晶粒的要求，但磁粉芯还有点困难。磁粉芯存在两个方面的困难。第一个就是首先要能够采购到大量的细粉。就生产工艺而言，粉体尽量要喷细，喷细之后要分级，将粉体按照大小分成不同的级别，产量也会降低。第二个是工序增加，加上设备投入成本，材料也要总适当调整，这样总体生产成本就会增加很多。
图为电感器铜线绕组磁芯来源包图网
艾默生聂洪涛：高频化后，趋肤效应会更严重。第一点就是对线材的要求就是线要做得越来越细。线要沿着磁芯绕，绕的过程线越细就越容易断。因此第二点对线的耐弯曲特性也提出了要求。一般选择铜线会比较多，多股绞合线和利兹线都能一定程度上减小趋肤效应。2、线材的选择和线圈结构的设计是降低损耗的重要手段，贵司通过什么方式减小趋肤效应，降低损耗？大润科技王金斗：减小趋肤效应，降低损耗与电子变压器选择的线材（三层绝缘线、多股绞线、绞线三层绝缘线、四层绝缘线、膜包线级膜包压方线等）与磁芯、产品结构、工艺等多种因素有关系；其中与线材有关因素大概如下：首先：与线材导体（铜）材质的纯度有密切关系，材质纯度越高，对减小趋肤效应，降低损耗就有明显效果;其次：与选择线材有密切关系；（即有效表面积或截面积周长），表面积越大，材质纯度越高，对减小趋肤效应，降低损耗就有明显效果;同时必须有效控制产品体积、产品成本等方面，必须让产品各性能（含趋肤效应）、成本、体积有效统一、有机结构、多方面有机平衡、形成一个完整机体（产品解决方案）如：当产品体积与成本都有控制约定时：要选择线材合适的规格，在一定范围的趋肤效应内选择什么样的线材是可以控制的。如何选择线材，取决于两大要素：第一个要素是产品是环绕还是立绕，当产品要求环绕时，只能使用绞线、膜包线来降低趋肤效应效果双较低好；当产品要求立绕时，只能使用聚酰压胺扁铜线来降低趋肤效应效果比较好；第二个要素就是尽量增大其表面积（截面积周长），如当产品要求环绕时，线材截面积确定了（如：线径1.0mm），明显绞线比单线好，因为线长度与线径都确定了，表面积越大，只能是截面积周长越长即可；发进一步分析，同为绞线，线径*股数不同，他的截面积周长是不同得，是有很大差异的;当截面积的线径在1.2或1.0的时候，导体既可以选0.05×350股，线径/截面积达到1.2；也可以选0.1×100股，截面积达到1.2。这两个效果对于降低趋肤效应效果是有很大差异的。0.05×350每条线周长之和比0.1×100每条线周长之和要长得多，所以选0.05×350股。这是一个比较科学、复杂的工程。所以，单线和股数是影响趋肤效应关键的参数。当产品需要耐压要求特别高时，三层绝缘线是6000V，无法满足时；未来肯定是需要选择如：FIW线或QPN线等，其采用了高分子纳米聚合液态涂膜技术，可依要求，0.033mm,耐压能达到100KV。从这个角度说，对线材的要求是一个非常严峻的考验。此外，还有耐高压化、耐酸雨腐蚀、耐老化等都是线材需要去克服的难点。
图为环形电感线圈来源包图网
图为服务器来源包图网微硕谭福清：我认为第三代半导体碳化硅、氮化镓在服务器领域潜力巨大，相信未来10年内大部分会替代原来硅半导体器件。碳化硅和氮化镓在服务器领域主要应用在电源供电系统中AC/DC以及高低压的DC/DC转换中，因为服务器大部分时候工作在轻载或者半载的状态，效率损耗主要来源于功率开关管的开关损耗，而碳化硅、氮化镓MOSFET具有开关损耗和导通损耗较低的优良特点，正是非常适合应用在服务器电源上。在输入的AC/DC端的PFC中，碳化硅或者氮化镓MOSFET取代原来的硅MOSFET具有立竿见影的效果，可明显提高PFC的效率，区别在于碳化硅多用于比较高压的情况，因此在AC/DC的PFC中取代原来硅MOSFET以及硅二极管或者在48V或者12V的高压DC/DC是主要用途。而氮化镓应用的更广泛一些，既可以应用在AC/DC的PFC中取代原来硅MOSFET，也可以应用在高低压DC/DC中，可以实现全氮化镓方案，因为氮化镓可以实现比碳化硅更高的开关频率，效率更高一些，体积更小。就成本而言，如果在PFC和高压DC/DC中都采用氮化镓作为开关器件，则AC/DC系统的体积可以大大缩小，保守估算，同样的功率密度，体积可以缩小到原来的50%左右。体积缩小带来的成本下降基本可以抵消开关器件的成本上升。结语：综合业内专家与整机企业观点看，第三代半导体在服务器电源、数据中心、5G基站等多个领域具有广阔发展前景，也是最迫切需要解决高频化问题的三个领域，尤其是从定频向变频的转变，不管是对电感变压器、铁氧体、磁粉芯还是线材开发思路完全变了。对电感变压器来说，变压器的形状需要朝着平面变压器发展，以更大的背板提升散热效率，损耗降低。对磁性材料来说，第一要减小粒径以降低涡流损耗，如将铁氧体粒径减小到5微米以下，磁粉芯10微米以下；第二要尽量减少磁畴壁的数量，减少在磁化过程中磁壁的移动，降低剩余损耗；第三磁芯选材方面要求选用具有高频高Bs、高频低损耗、宽温低损耗等特性的材料；第四在较高频率下，多股绞合线得到广泛应用，多股绞合线的工艺需要提高，以尽量提高铜利用率，还要提高线材的温度等级。总之，目前磁性材料面临着提高频率以及由此带来的损耗难题。我们期待，随着技术的不断更新迭代，磁性材料能够跟上第三代半导体发展的步伐，行业迎来更广阔的发展空间。
往期推荐
新闻来源：宽禁带半导体技术创新联盟，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。