Головне живлення AI-сервера: територія головного LLC та резонансного дроселя

Потужність блоків живлення (PSU) для AI-серверів і дата-центрів невпинно зростає, і розробників часто запитують: «чи можна використати цей провід із потрійною ізоляцією (TIW) в AI-сервері?» Це запитання спершу треба розкласти за каскадами, а вже потім відповідати. Ця стаття стосується лише головного силового каскаду: вхідного PFC, головного LLC-трансформатора, резонансного дроселя та дроселя намагнічування. Спершу висновок: цей каскад — територія планарних трансформаторів (planar) і літцендрату (litz); ізоляція між первинною та вторинною сторонами тут досягається ізоляційними плівками та конструкцією проміжків багатошарової друкованої плати (PCB), і це не категорія жодного одножильного проводу з потрійною ізоляцією. Стаття дає інженерам із живлення, магнітних компонентів, безпеки та закупівель чесну лінію розмежування; де TIW справді розташовується в тому самому PSU (допоміжне / чергове / зміщення та драйвери затворів), див. Живлення дата-центрів / AI-серверів: чому головна потужність іде планарно / літцендратом. Усі значення продуктів DAH JIN — згідно з Листом погодження.

1. Спершу виокремити «головний силовий каскад»

PSU сервера можна поділити на головний силовий шлях і допоміжний шлях; вимоги до магнітних компонентів у них різні. Головний силовий шлях — це стовбур, який випрямляє мережеву напругу, виконує корекцію коефіцієнта потужності й через ізольований DC-DC передає енергію на вихід. Візьмімо за приклад референсний дизайн 12 kW PSU від Infineon, написаний для AI-дата-центрів і серверів (нотатка із застосування AN133110): він двокаскадний — на вході чергований трирівневий totem-pole PFC з літаючим конденсатором (виконує корекцію коефіцієнта потужності та стабілізує проміжну шину постійного струму), на виході ізольований DC-DC резонансний LLC-перетворювач (стабілізований вихід близько 50 VDC); увесь пристрій досягає питомої потужності 113 W/in³ та пікового ККД 97.8%. Саме про магнітні компоненти на цьому стовбурі йдеться у статті.

• PFC-дросель — Що робить：Корекція коефіцієнта потужності, стабілізація проміжної шини；Яка технологія：Намотані сильнострумові магнітні компоненти (мідний провід / літцендрат)；Категорія одножильного TIW?：Ні
• Головний LLC-трансформатор — Що робить：Ізоляція та регулювання між первинною й вторинною сторонами, головний вихід；Яка технологія：Планарний трансформатор (обмотки в багатошаровій PCB)；Категорія одножильного TIW?：Ні (див. §2)
• Дросель намагнічування / резонансний дросель (резонансний контур LLC) — Що робить：Утворюють резонанс LLC, забезпечують м'яку комутацію ZVS；Яка технологія：Дроселі, намотані літцендратом；Категорія одножильного TIW?：Ні (див. §3)

Головне наперед: ізоляція й обмотки головного силового каскаду реалізуються двома технологіями — «планарно плюс літцендрат», і ніде не спираються на намотування одножильного проводу з потрійною ізоляцією. TIW має своє місце в PSU загалом, але не на цьому каскаді (див. §4).

2. Головний LLC-трансформатор: територія планарної технології (обмотки в багатошаровій PCB)

У згаданому 12 kW дизайні Infineon головний LLC-трансформатор має структуру «hybrid planar»: два однакові трансформатори, первинні обмотки з'єднані послідовно, вторинні — паралельно; кожен складається з головного планарного трансформатора, обмотка якого — не «намотаний провід», а витравлені мідні шари багатошарової PCB (первинна сторона потребує 9 витків, отриманих послідовним з'єднанням однієї 6-шарової PCB з чотирма витками та однієї з п'ятьма; кілька плат з'єднують паралельно, щоб знизити опір обмотки та втрати провідності).

Ключове — звідки береться ізоляція. У цьому дизайні первинну та вторинну сторони розділяє плівка Kapton завтовшки 50 μm для підвищення електричної міцності, а прокладки з FR4 збільшують відстань між первинною та вторинною обмотками, знижуючи міжобмоткову ємність. Інакше кажучи, посилена ізоляція та витримувана напруга цього каскаду досягаються спільно ізоляцією між шарами PCB, ізоляційною плівкою та конструкцією шляху спливу / повітряного проміжку, а не намотуванням одножильного проводу з товстою ізоляцією.

Чому головний трансформатор іде планарним шляхом? Галузевий консенсус щодо планарних магнітних компонентів такий: низький профіль, точно задавана та відтворювана індуктивність розсіювання й паразитна ємність, краще тепловідведення (великі мідні площі та поверхні осердя сприяють розтіканню тепла), що особливо підходить для високочастотних (часто понад 500 kHz) силових каскадів із високою питомою потужністю, як-от у AI-дата-центрах і серверах. Сам факт, що планарний трансформатор використовує «багатошарову PCB як обмотку», уже виключає «намотування одножильного проводу» з головного трансформатора.

3. Резонансний дросель і дросель намагнічування: територія літцендрату (litz)

Резонансному контуру LLC потрібні резонансний дросель і дросель намагнічування. На робочих частотах у кілька сотень kHz опір обмотки змінному струму через скін-ефект (струм дедалі більше зосереджується біля зовнішнього краю провідника) та ефект близькості (сусідні провідники взаємно витісняють розподіл струму) значно перевищує опір постійному струму. Стандартне рішення галузі — літцендрат (litz wire): десятки або сотні тонких, ізольованих одна від одної жил скручують разом, щоб рівномірно розподілити струм і знизити обидва ці високочастотні втрати; типово застосовується для магнітних компонентів у діапазоні 10 kHz–5 MHz.

Повернімося до дизайну Infineon: його дросель намагнічування намотаний літцендратом (розміщений над структурою планарного трансформатора та під'єднаний паралельно до первинної обмотки, щоб отримати індуктивність намагнічування, потрібну для ZVS), а резонансний дросель виконано як окремий магнітний компонент, також намотаний літцендратом (приблизно 1.65 μH, розділений на дві камери, щоб потоки взаємно компенсувалися і втрати в осерді знизилися). Інакше кажучи, два дроселі головного силового каскаду, які «треба намотувати», використовують багатожильний літцендрат, а не одножильний провід, бо тут розв'язують проблему високочастотних втрат у міді, а не ізоляції безпеки без шляху спливу.

4. Чому цей каскад не є категорією одножильного проводу з потрійною ізоляцією

Якщо поєднати два попередні розділи, розподіл технологій у головному силовому каскаді очевидний: головний трансформатор, що забезпечує ізоляцію та регулювання, іде планарним шляхом (багатошарова PCB + ізоляційна плівка + проміжки), дроселі резонансного контуру йдуть шляхом літцендрату (багато скручених жил знижують опір змінному струму). Конструктивне призначення проводу з потрійною ізоляцією (TIW) — зовсім інше: це одножильний (або скручений із кількох жил) емальований провід із товстою тришаровою ізоляцією, цінність якого в тому, щоб «одним проводом досягти посиленої (Reinforced) ізоляції, обійшовшись без шляху спливу та ізоляційної стрічки», завдяки чому малі розділові трансформатори малої та середньої потужності можна зробити компактнішими. Ця перевага відповідає малим розділовим трансформаторам допоміжного / чергового / зміщення та драйверів затворів, а не ізоляції й обмоткам головного силового каскаду.

Тут варто окремо розвіяти поширене непорозуміння: хоча TLW-B7S серед чотирьох типів DAH JIN — скручений провід (сім жил, жила 0.10–0.30 mm, згідно з Листом погодження), його скрутка існує для досягнення посиленої ізоляції та гнучкості на малих розділових трансформаторах; літцендрат, який дроселі головної потужності застосовують для зниження опору змінному струму, — це тонкий скручений джгут із десятків або сотень ще тонших жил (у згаданому дизайні 300 жил у дроселі намагнічування та 512 жил у резонансному дроселі, жила 50 μm). Вони відрізняються кількістю жил, діаметром і призначенням — це різні інженерні об'єкти; ставити між ними знак рівності лише через слово «скручений» означало б сплутати TIW для ізоляції безпеки з літцендратом для керування втратами в головній потужності.

Отже, на запитання «чи має головне живлення AI-сервера використовувати провід із потрійною ізоляцією?» чесна відповідь така: головний силовий каскад його не використовує, і думати в бік одножильного TIW тут не слід; це територія планарної технології та літцендрату. DAH JIN — виробник (власний завод у Ґуйжень, Тайнань, Тайвань; виробничий майданчик, зазначений у Листі погодження UL, — саме цей завод), чотири типи проводу з потрійною ізоляцією (TLW-B / TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F) мають своє місце в малих розділових трансформаторах, усі умови — згідно з Листом погодження; стаття не стверджує, що продукти DAH JIN застосовано в якомусь конкретному AI-сервері чи дата-центрі, і не бере жодного значення зі згаданого стороннього дизайну за умову DAH JIN. Каскад допоміжного живлення, де TIW у тому самому PSU справді може бути застосований, див. у Живлення дата-центрів / AI-серверів: чому головна потужність іде планарно / літцендратом; перше розгалуження за типом і класом нагрівостійкості — у Посібнику з вибору проводу з потрійною ізоляцією та в Клас нагрівостійкості проводу та клас нагрівостійкості системи ізоляції.