當(dāng)前，服務(wù)器電源開關(guān)頻率已經(jīng)向MHz級別邁進(jìn)。而英偉達(dá)在發(fā)布800V HVDC架構(gòu)時(shí)更是預(yù)計(jì)2027年的Kyber機(jī)架將到達(dá)兆瓦級。
在高頻、大功率背景下，服務(wù)器電源高頻工況下的損耗控制成為提升整機(jī)效率與可靠性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)加劇，顯著增加了交流電阻（ACR），直接影響服務(wù)器電源效率和溫升。
因此，為滿足服務(wù)器電源功率提升需求并減小體積，服務(wù)器電源高頻化成為必然選擇，這也對磁性元器件和線材的性能提出了更嚴(yán)苛的要求。
01服務(wù)器電源頻率高至 3MHz，對線材提出三大技術(shù)要求
目前，服務(wù)器電源的開關(guān)頻率一般在 200kHz到1MHz 之間。理想情況下，服務(wù)器電源的頻率應(yīng)達(dá)到 300kHz以上。隨著第三代半導(dǎo)體材料（如氮化鎵）的應(yīng)用，服務(wù)器電源的頻率有望進(jìn)一步提高，部分高頻材料的應(yīng)用頻率甚至可以達(dá)到 3MHz。
服務(wù)器電源頻率提高后，對磁性元器件來說，為了降低體積，但損耗也會上升。
為降低服務(wù)器電源損耗，可從電感變壓器設(shè)計(jì)、磁芯材料選擇、線材選型等多個(gè)技術(shù)維度展開優(yōu)化。以線材為例，降低損耗需滿足以下技術(shù)要求：
一是集膚效應(yīng)控制：頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著，需針對性設(shè)計(jì)線材結(jié)構(gòu)以減少電流集中導(dǎo)致的損耗；
二是絕緣材質(zhì)選型：低損耗絕緣材質(zhì)的選用至關(guān)重要，因其直接影響能量傳輸過程中的介質(zhì)損耗；
三是絞線結(jié)構(gòu)優(yōu)化：導(dǎo)體的絞線結(jié)構(gòu)會引發(fā)鄰近效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生額外的渦流損耗，需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低該效應(yīng)的影響。
此外，損耗上升會導(dǎo)致服務(wù)器電源溫升加劇。目前，整個(gè)服務(wù)器電源行業(yè)的功率密度大約為100W/in3。
惠州市驊鷹電子科技有限公司海外市場總經(jīng)理李楊告訴《磁性元件與電源》，服務(wù)器電源在高功率密度條件下，繞組溫升可能超過80℃，最熱點(diǎn)溫度甚至可能高于105℃。因此，線材的耐溫等級需要達(dá)到180℃以上，即H級（180℃到220℃）。目前，驊鷹在高端多股絞線中，已經(jīng)選用H級漆包銅，以滿足耐溫要求。
 高溫膜包方形絕緣線 圖源：驊鷹
02 通過三大舉措將線材損耗降低50%
在服務(wù)器電源追求高功率密度和高頻化的大趨勢下，僅僅滿足耐溫等級是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
服務(wù)器電源高頻工作帶來的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會顯著增加線材損耗，這使得交流電阻（ACR）的表現(xiàn)變得至關(guān)重要——它直接關(guān)系到服務(wù)器電源的整體效率和溫升控制，因此成為服務(wù)器電源企業(yè)選材的核心關(guān)注點(diǎn)。
具體而言，服務(wù)器電源要求在高頻下，交流電阻（ACR）與直流電阻（DCR）的比值通常應(yīng)小于1.2。面對服務(wù)器電源高頻下趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)帶來的損耗挑戰(zhàn)，以及嚴(yán)格的ACR要求，驊鷹通過綜合優(yōu)化以下三方面來顯著降低線材損耗：
一是針對集膚效應(yīng)，優(yōu)化線材結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。 核心在于選用多股絞線（利茲線），并精細(xì)設(shè)計(jì)股徑與股數(shù)。股線越細(xì)、股數(shù)越多，對抗集膚效應(yīng)的效果越好，損耗越低。驊鷹已成功開發(fā)并量產(chǎn)應(yīng)用于海外市場的0.03毫米×6000股極細(xì)多股絞線，其集膚效應(yīng)和損耗表現(xiàn)優(yōu)異，與同等規(guī)格單根線相比，損耗至少降低50%。
二是優(yōu)化絞線工藝，降低交流損耗。驊鷹生產(chǎn)的0.03毫米×6000股極細(xì)多股絞線損耗效果雖好，此類極細(xì)多股線成本高、工藝復(fù)雜，僅生產(chǎn)就需十多天，且拉絲速度慢、絞合易斷裂，需嚴(yán)格控制工藝并配備高效斷線檢測。目前其產(chǎn)能約100-200公斤。
為此，驊鷹在拉絲環(huán)節(jié)投入高精度進(jìn)口設(shè)備，采用精密拉絲工藝，精度可達(dá)±0.001毫米，將斷線率控制在極低水平（<1次/千萬米）。同時(shí)，為提升線材耐彎曲性能，公司正與材料商合作研發(fā)納米涂層技術(shù)）。通過在導(dǎo)體表面涂覆特殊涂層，可以增強(qiáng)線材的耐彎曲性能。
 三是從材料選擇入手，選用高純度導(dǎo)體。 導(dǎo)體材質(zhì)的純度直接影響損耗，純度越高，損耗越低。驊鷹選用6N級（純度99.99999%）無氧銅作為導(dǎo)體材料，以最大化降低導(dǎo)體自身損耗。目前，采用此類高純銅的利茲線（多股絞線）因其優(yōu)異的綜合低損耗性能，正逐漸替代單根線。
03 “高端極細(xì)多股絞線是一個(gè)必然的趨勢”
“目前，0.03毫米×6000股極細(xì)多股絞線這種高端線材的產(chǎn)能雖然較低，但市場需求量非常大，我認(rèn)為市場規(guī)模至少是千億級的。”李楊表示，“不過，當(dāng)前成本問題尚未完全突破，部分應(yīng)用場景可能還不需要如此高端的產(chǎn)品。但隨著技術(shù)的逐漸成熟，這種線材一定會得到廣泛推廣，這是一個(gè)必然的趨勢。”
對于磁性元器件或特種線材來說，未來的發(fā)展方向是朝著細(xì)小多股的方向發(fā)展。以前，國內(nèi)很多產(chǎn)品以低價(jià)、低技術(shù)含量為主，市場競爭激烈。但隨著進(jìn)入超微細(xì)漆包線領(lǐng)域，產(chǎn)品的附加值和性能都將提升。此前，超微細(xì)線材技術(shù)主要掌握在國外企業(yè)手中，但未來中國企業(yè)將有能力與國際企業(yè)競爭這一廣闊市場。
目前，驊鷹在這方面已經(jīng)有所布局，聚焦于幾個(gè)特定行業(yè)，例如新能源汽車、服務(wù)器以及低空經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，這些行業(yè)的產(chǎn)品相對高端，對這種高端線材有剛需。而對于一些低端市場，隨著公司工藝水平的不斷提升，成本也會逐漸降低，未來也會逐步導(dǎo)入。
李楊進(jìn)一步透露，驊鷹的產(chǎn)品還處于小批量供貨階段，但未來計(jì)劃擴(kuò)大產(chǎn)能。驊鷹已在江西、惠州、湖南等地都有規(guī)劃工業(yè)園，目前正處于建設(shè)階段，預(yù)計(jì)今年以及明年初將陸續(xù)投產(chǎn)。屆時(shí)，其生產(chǎn)規(guī)模將比現(xiàn)在擴(kuò)大數(shù)倍。 |
