Живлення дата-центрів і AI-серверів: чому головна потужність — це planar / litz, і в якому каскаді працює провід із потрійною ізоляцією

Потужність блоків живлення (PSU) для AI-серверів і дата-центрів невпинно зростає, і розробникам часто ставлять запитання у формі «чи можна застосувати цей провід із потрійною ізоляцією (TIW) в AI-сервері». Таке формулювання змішує весь PSU в одне ціле, а чесна відповідь — покаскадна: головне силове коло (PFC, головний LLC, резонансний дросель) виконують на планарних трансформаторах (planar) і літцендраті (litz), і це не місце для жодного однодротового TIW; місце проводу з потрійною ізоляцією — малі розділові трансформатори допоміжного / чергового живлення / зміщення (aux / standby / bias) та керування затвором. У цій статті PSU розкладено на кілька каскадів, і для кожного пояснено, які магнітні компоненти він використовує і де нарешті доходить черга до TIW, — щоб дати інженерам із живлення, магнітних компонентів, безпеки та закупівель чесну лінію зіставлення; розподіл ролей між магнітними компонентами самого головного каскаду розглянуто в статті цієї серії «Головне живлення AI-сервера: територія головного LLC і резонансного дроселя».

1. Спочатку розкласти PSU на каскади

Загальне тло живлення стійок — зростання напруги. Технічний блог NVIDIA пояснює, що AI factory нині розподіляє 54 VDC всередині стійки, а для підтримки IT-стійок класу 1 MW з 2027 року впроваджується архітектура високовольтного постійного струму 800 VDC; це тенденція розподілу живлення на рівні стійки, і вона безпосередньо не визначає, який провід використовувати в будь-якому трансформаторі. Насправді місце проводу визначає поділ на каскади всередині PSU.

Серверний PSU можна грубо поділити на два кола, кожне зі своїми вимогами до магнітних компонентів:

• Вхідний AC-DC (PFC) — Функція：Корекція коефіцієнта потужності, стабілізація напруги проміжної шини；Типовий магнітний компонент：Дросель PFC (намотаний магнітний компонент, здебільшого мідний провід на великий струм або літцендрат)；Категорія однодротового TIW?：Ні
• Вихідний ізольований DC-DC (головний LLC) — Функція：Розділення первинного/вторинного кіл і регулювання, головний вихід；Типовий магнітний компонент：Головний силовий трансформатор + резонансний дросель / дросель намагнічування；Категорія однодротового TIW?：Ні (planar + litz, див. §2)
• Допоміжне / чергове живлення / зміщення (aux / standby / bias) — Функція：«Господарське» живлення схем керування; вмикається раніше за головний вихід；Типовий магнітний компонент：Малопотужний розділовий трансформатор (намотаний, напр. flyback)；Категорія однодротового TIW?：Так, типове місце (див. §3)
• Керування затвором (gate-drive) — Функція：Ізольована передача сигналів керування та зміщення на ключі силового каскаду；Типовий магнітний компонент：Намотаний трансформатор керування затвором；Категорія однодротового TIW?：Так, типове місце (див. §4)

Головне — одразу: головне силове коло (PFC, головний LLC, резонансний дросель) не є категорією однодротового проводу з потрійною ізоляцією DAH JIN; справжнє місце TIW — два види малих розділових трансформаторів у нижній половині таблиці. Далі — покаскадно.

2. Чому головна потужність — це planar і litz

Візьмімо за приклад application note Infineon щодо 12 kW PSU для AI-дата-центрів і серверів. Його головне силове коло двокаскадне: на вході — чергований трирівневий PFC типу totem-pole з літаючим конденсатором (забезпечує корекцію коефіцієнта потужності та стабілізує проміжну DC-шину), на виході — ізольований резонансний DC-DC LLC-перетворювач (видає ізольовану регульовану напругу близько 50 VDC). Такі конструкції досягають пікового ККД 97.8% і густини потужності понад 113 W/in³.

Ключ — у тому, як виконано магнітні компоненти. У документі зазначено, що головний LLC-трансформатор має структуру «hybrid planar»: він складається з планарного головного трансформатора (primary / secondary реалізовано багатошаровими обмотками на друкованій платі), між первинною та вторинною обмотками — ізоляційна плівка Kapton для досягнення витримуваної напруги та низької паразитної ємності; а дросель намагнічування та резонансний дросель намотано літцендратом і встановлено поверх планарної конструкції трансформатора. Інакше кажучи, розділення первинного/вторинного кіл у головному силовому каскаді досягається ізоляційною плівкою між шарами друкованої плати та проєктуванням шляху спливу / повітряного проміжку, а не намотуванням однодротового проводу з потрійною ізоляцією; високочастотні резонансні дроселі / дроселі намагнічування використовують літцендрат для зменшення опору змінному струму — і це так само не категорія однодротового TIW.

Причина такого конструктивного вибору проста: головний силовий каскад має балансувати між високою частотою, високою густиною потужності, інтенсивним тепловідведенням і м'якою комутацією (ZVS), а низький профіль, передбачувані міжшарові параметри й тепловідведення планарного трансформатора разом із низькими високочастотними втратами дроселів на літцендраті саме відповідають цим вимогам. Тому чесна відповідь на запитання «чи потрібен провід із потрійною ізоляцією в головному силовому каскаді AI-сервера» — ні; розділення й обмотки в цьому каскаді виконують іншою технологією. Академічні та галузеві LLC-рішення для дата-центрів (як-от дослідження LLC високої густини з інтегрованими планарними магнітними компонентами та референсні проєкти LLC AC-DC для серверів) так само одностайно вказують на поєднання planar + litz.

3. Перше місце проводу з потрійною ізоляцією: допоміжне / чергове живлення / зміщення

Крім головного виходу, кожен PSU має «господарське» живлення (housekeeping). Специфікація OCP на проєктування твердотільного трансформатора (SST) виокремлює його як окремий компонент (Auxiliary power) і визначає його роль: це перший крок під час увімкнення, воно працює з найвищим рівнем доступності й незалежно від робочого стану головного обладнання. Чергове живлення / живлення зміщення серверного PSU належить до того самого класу: ще до встановлення головного виходу воно живить контролери, зв'язок і схеми захисту.

Це джерело малопотужне, але так само має забезпечити безпечне розділення між первинним і вторинним колами (типова топологія — flyback), і використовує воно малий намотаний розділовий трансформатор. Щоб на такому малому трансформаторі одним обмотувальним проводом досягти посиленої ізоляції (Reinforced), провід із потрійною ізоляцією і є звичним засобом — саме цьому рівню застосування справді відповідають чотири типи проводу з потрійною ізоляцією DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F).

Для цього каскаду першоджерельна підстава, яку може надати DAH JIN, — це набір фіксованих умов сертифікації, а не твердження «вже застосовано в певному AI-сервері»: усі чотири типи внесено до сфери оцінювання IEC 62368-1 Annex J за VDE 40008834 Anlage 200; конкретні значення робочої напруги / пікової напруги / частоти випробування завжди згідно з Листом погодження і сертифікатом VDE; діаметр проводу 0.10–1.00 mm (TLW-B7S — скрутка із 7 жил, кожна жила 0.10–0.30 mm); клас нагрівостійкості 130(B), TLW-F — Class F (155°C). Порядок дій для розробника — взяти фактичну робочу точку власного допоміжного / чергового трансформатора й зіставити її з умовами Annex J, зазначеними в Листі погодження: якщо все в межах умов — провід можна обрати, якщо хоч один параметр виходить за межі — потрібне окреме оцінювання. У цій статті робоча напруга трансформатора не обчислюється зворотно від шини стійки 800 VDC і не стверджується, що провід із потрійною ізоляцією DAH JIN застосовано в будь-якому конкретному живленні дата-центру. Про межу між класом нагрівостійкості проводу та класом нагрівостійкості системи ізоляції див. Клас нагрівостійкості проводу та клас нагрівостійкості системи ізоляції.

4. Друге місце: трансформатор керування затвором

Ключі силових каскадів SiC / GaN потребують ізольованого керування, і сигнали керування та зміщення зазвичай передаються через первинне/вторинне кола намотаним трансформатором керування затвором. Галузеві дані на трансформатори керування затвором показують: щоб довести такий трансформатор до рівня посиленої ізоляції, відповідні версії намотують проводом із потрійною ізоляцією, аби відповідати вимогам посиленої ізоляції стандартів IEC 61558, IEC 60601 тощо; прикладні матеріали Texas Instruments (TI) також розглядають «ізольоване джерело зміщення для ізольованих драйверів затвора» як окрему проєктну задачу. Це сторонні факти застосування, наведені, щоб показати, що твердження «трансформатор керування затвором — обґрунтоване місце для TIW» справедливе; значення витримуваної напруги в них належать каталогам відповідних виробників і не є умовами DAH JIN.

Повертаючись до самої DAH JIN: обираючи провід із потрійною ізоляцією для малих розділових трансформаторів керування затвором / зміщення, можна посилатися на той самий набір першоджерельних умов, що й у §3 — чотири типи внесено до сфери оцінювання Annex J (IEC 62368-1), робоча напруга / пікова напруга / частота випробування згідно з Листом погодження, діаметр проводу ≤1.00 mm (жили TLW-B7S ≤0.30 mm), 130(B). В Anlage 200 зазначено частоту випробування; ця стаття не екстраполює її на фактичну частоту комутації SiC / GaN.

5. Інженерний критерій: спочатку визначити каскад, потім говорити про провід

Односторінковий висновок для інженерів із живлення та магнітних компонентів у такому порядку: «спершу визначити, до якого каскаду належить компонент, і лише потім обговорювати, чи потрібен TIW»:

1. Головне силове коло (PFC, головний LLC, резонансний дросель / дросель намагнічування): планарний трансформатор і літцендрат; розділення первинного/вторинного кіл досягається міжшаровою ізоляцією друкованої плати та проєктуванням проміжків. Цей каскад — не категорія однодротового проводу з потрійною ізоляцією; думати тут про TIW не потрібно й не слід.
2. Малі розділові трансформатори допоміжного / чергового живлення / зміщення та керування затвором: саме це намотані розділові трансформатори і саме тут місце проводу з потрійною ізоляцією. Щоб обрати TIW, візьміть фактичну робочу напругу, пікову напругу та частоту випробування цього трансформатора й зіставте з умовами сертифікації Annex J, зазначеними в Листі погодження (а діаметр проводу має бути в межах 0.10–1.00 mm, жили TLW-B7S — у межах 0.10–0.30 mm): у межах умов — можна обрати, хоч один параметр поза межами — потрібне окреме оцінювання.
3. Без зворотного обчислення й екстраполяції: не обчислюйте робочу точку трансформатора зворотно від напруги шини стійки (54 / 800 VDC); медичний Annex L (2 MOOP / 2 MOPP) має окремий набір умов, прив'язаний лише до TLW-BB і TLW-B7S, і значення так само згідно з Листом погодження. Перше розгалуження вибору (B 130°C vs F 155°C) див. у Посібнику з вибору проводу з потрійною ізоляцією.