为了在有限的物理空间内最大化吞吐量，人工智能基础设施大幅提高了处理器密度，导致计算硬件和电源供应在机架空间上形成竞争。这一挑战促使业界采用800 VDC配电架构，该架构可降低损耗，支持更高的功率水平，并允许将体积庞大的电源组件从IT机柜中移出，放入单独的电源机柜中，如图1所示。由此，机柜功率容量可从约200 kW扩展到超过1 MW [1]，显著增强了AI计算能力。

图1

在新架构下，IT机柜主要包含计算托盘，这些托盘由800 VDC总线直接供电。虽然这一转变带来了与电压额定值和隔离相关的挑战，但也催生了新的高效、高功率密度变换器拓扑。由于电网和XPU之间存在多个变换级，且并非所有级都需要严格的调节，因此由经过调节的800 VDC总线供电的隔离级成为架构创新的有力候选者。据此，本文聚焦于隔离级，并介绍了一种为AI服务器机柜设计的输入串联输出并联变换器。

输入串联输出并联变换器

包括采用LLC变换器的ISOP架构在内的多电平拓扑，正成为AI服务器中隔离级的主流解决方案 [2-4]。ISOP变换器使用多个隔离模块，其输入端串联、输出端并联。这提供了一种同时扩展输入电压和输出电流的便捷方法。具体而言，对于使用M个模块、输入电压为VIN、输出功率为POUT的变换器，每个模块仅承受VIN/M的电压，并处理POUT/M的功率。

尽管多电平或多相变换器通常会引起对电压均衡和电流均分的担忧，但基于LLC的实现可以通过设计本身实现这两点，而无需专用的控制算法 [5-6]。通过选择合适的励磁电感与谐振电感之比，当工作在谐振点时，变换器增益基本与频率无关，从而形成对元件公差不敏感的稳健解决方案。此外，LLC变换器工作在谐振点也恰好是其最高效的工作模式。这种设计选择的代价是输出电压调节能力降低，这就是此类方案通常被实现为定比变换器的原因。

与传统LLC变换器相比，模块化LLC-ISOP架构具有降低原边电压应力、简化变压器设计、通过交错并联降低输出电流纹波以及改善热管理等优势 [2]。本文详细阐述了这些优势，并展示了一款800 V至12.5 V、6 kW ISOP变换器的设计细节和实验结果。

原边低电压应力使得更优的器件得以应用

为了量化这些优势中的一部分，我们在共同假设条件下评估了多种半导体技术。考虑一个从800 V变换到12.5 V、功率为6 kW、变比为64:1的变换器，其谐振频率为1 MHz，ZVS过渡时间限制为开关周期的5%(tZVS = 50 ns)。假设原边采用半桥拓扑。这些约束条件固定了变压器设计和电流波形，从而能够对不同变换器拓扑和器件技术进行一致性比较。

分析首先确定在指定过渡时间内保证ZVS所需的励磁电感。然后计算原边RMS电流 [7]，接着计算导通损耗和栅极驱动损耗 [8]，将这些损耗结合起来即可得到具有M个模块的变换器的总原边半导体损耗。公式(1)-(6)总结了此方法，其中RL是每个模块的等效负载，n是原边匝数(对于传统LLC为32匝，2模块ISOP为16匝，8模块ISOP为4匝)。

表1比较了传统LLC和LLC-ISOP配置的原边器件。单模块LLC实现方案依赖1.2 kV SIC器件，而增加ISOP模块数量则可以使用更低电压的SiC和GaN器件。

表1

结果显示，使用150 V GaN器件的8模块ISOP配置实现了最低的总原边损耗。在电路板面积方面也观察到类似趋势。所有评估的器件都采用与顶部液体冷却兼容的表面贴装封装。最紧凑的方案同样对应使用150 V GaN的8模块ISOP实现。

模块的PWM信号交错以降低输出电流纹波

类似于多相降压变换器，ISOP模块可以交错工作以降低输出电流纹波，进而在给定电压纹波下减少所需的输出电容。对于前面描述的变换器，传统LLC必须处理约754 A的峰峰值电流，纹波频率为2 MHz;而2模块ISOP在4 MHz频率下承受约156 A的纹波;4模块ISOP在8 MHz频率下仅承受约37 A的纹波。此对比如图2所示。

图2

采用8模块的800 V至12.5 V ISOP变换器

为了演示8模块ISOP变换器，宜普公司开发并测试了如图3所示的6 kW、800 V至12.5 V(变比64:1)定比变换器。该设计包含8个相同的模块，每个模块是一个额定功率750 W、100 V至12.5 V的LLC变换器。图4展示了变换器的简化框图以及单个LLC模块的示意图。

图3

原边采用两颗EPC2305 GaN晶体管组成半桥配置。EPC2305是一款耐压150 V的器件，典型导通电阻为2.2 mΩ，采用3 mm x 5 mm QFN封装。副边采用两颗并联的EPC2366组成中心抽头配置。EPC2366是一款耐压40 V的GaN器件，典型导通电阻为0.8 mΩ，采用2.6 mm x 3.3 mm QFN封装。原边和副边通过一个匝比为4:1:1的平面变压器实现磁耦合。变压器绕组集成到14层PCB中，磁芯采用Proterial ML95S材料制成的标准ER型磁芯。

整个变换器总厚度为8 mm，占板面积小于5000 mm²，这包含了控制器和具有增强型隔离的数字隔离器。所有GaN器件都安装在电路板顶部，以便通过散热器或水冷板进行冷却。

该变换器在输入电压800 V、输出电流高达500 A的条件下进行了测试。图4展示了实测效率及功率损耗随负载电流变化的曲线，显示峰值效率超过98%，满载效率为96.4%。

结论

ISOP变换器通过降低原边电压应力、减小输出电流纹波以及简化变压器设计，为AI服务器机柜提供了高效、高功率密度的解决方案。采用8模块ISOP-LLC架构、使用150 V GaN晶体管的800 V至12.5 V、6 kW变换器的实验结果表明，其峰值效率超过98%，满载效率为96.4%。这些结果凸显了ISOP架构在满足现代AI基础设施对效率、功率密度和外形尺寸的严苛要求方面的潜力。