當(dāng)前，服務(wù)器電源開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)向MHz級(jí)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(jí)。
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(mǎn)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(duì)磁性元器件和線(xiàn)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(duì)線(xiàn)材提出三大技術(shù)要求
目前，服務(wù)器電源的開(kāi)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(duì)磁性元器件來(lái)說(shuō)，為了降低體積，但損耗也會(huì)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(xiàn)材選型等多個(gè)技術(shù)維度展開(kāi)優(yōu)化。以線(xiàn)材為例，降低損耗需滿(mǎn)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(duì)性設(shè)計(jì)線(xiàn)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(guò)程中的介質(zhì)損耗；
三是絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：導(dǎo)體的絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)會(huì)引發(fā)鄰近效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生額外的渦流損耗，需通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低該效應(yīng)的影響。
此外，損耗上升會(huì)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(chǎng)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(guò)80℃，最熱點(diǎn)溫度甚至可能高于105℃。因此，線(xiàn)材的耐溫等級(jí)需要達(dá)到180℃以上，即H級(jí)（180℃到220℃）。目前，驊鷹在高端多股絞線(xiàn)中，已經(jīng)選用H級(jí)漆包銅，以滿(mǎn)足耐溫要求。
 高溫膜包方形絕緣線(xiàn) 圖源：驊鷹
02 通過(guò)三大舉措將線(xiàn)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(shì)下，僅僅滿(mǎn)足耐溫等級(jí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
服務(wù)器電源高頻工作帶來(lái)的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會(huì)顯著增加線(xiàn)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(duì)服務(wù)器電源高頻下趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)帶來(lái)的損耗挑戰(zhàn)，以及嚴(yán)格的ACR要求，驊鷹通過(guò)綜合優(yōu)化以下三方面來(lái)顯著降低線(xiàn)材損耗：
一是針對(duì)集膚效應(yīng)，優(yōu)化線(xiàn)材結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。 核心在于選用多股絞線(xiàn)（利茲線(xiàn)），并精細(xì)設(shè)計(jì)股徑與股數(shù)。股線(xiàn)越細(xì)、股數(shù)越多，對(duì)抗集膚效應(yīng)的效果越好，損耗越低。驊鷹已成功開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)應(yīng)用于海外市場(chǎng)的0.03毫米×6000股極細(xì)多股絞線(xiàn)，其集膚效應(yīng)和損耗表現(xiàn)優(yōu)異，與同等規(guī)格單根線(xiàn)相比，損耗至少降低50%。
二是優(yōu)化絞線(xiàn)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(xiàn)損耗效果雖好，此類(lèi)極細(xì)多股線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)。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(xiàn)率控制在極低水平（<1次/千萬(wàn)米）。同時(shí)，為提升線(xiàn)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(guò)在導(dǎo)體表面涂覆特殊涂層，可以增強(qiáng)線(xiàn)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(jí)（純度99.99999%）無(wú)氧銅作為導(dǎo)體材料，以最大化降低導(dǎo)體自身?yè)p耗。目前，采用此類(lèi)高純銅的利茲線(xiàn)（多股絞線(xiàn)）因其優(yōu)異的綜合低損耗性能，正逐漸替代單根線(xiàn)。
03 “高端極細(xì)多股絞線(xiàn)是一個(gè)必然的趨勢(shì)”
“目前，0.03毫米×6000股極細(xì)多股絞線(xiàn)這種高端線(xiàn)材的產(chǎn)能雖然較低，但市場(chǎng)需求量非常大，我認(rèn)為市場(chǎng)規(guī)模至少是千億級(jí)的�！崩顥畋硎�，“不過(guò)，當(dāng)前成本問(wèn)題尚未完全突破，部分應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)材一定會(huì)得到廣泛推廣，這是一個(gè)必然的趨勢(shì)。”
對(duì)于磁性元器件或特種線(xiàn)材來(lái)說(shuō)，未來(lái)的發(fā)展方向是朝著細(xì)小多股的方向發(fā)展。以前，國(guó)內(nèi)很多產(chǎn)品以低價(jià)、低技術(shù)含量為主，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。但隨著進(jìn)入超微細(xì)漆包線(xiàn)領(lǐng)域，產(chǎn)品的附加值和性能都將提升。此前，超微細(xì)線(xiàn)材技術(shù)主要掌握在國(guó)外企業(yè)手中，但未來(lái)中國(guó)企業(yè)將有能力與國(guó)際企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)這一廣闊市場(chǎng)。
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(chē)、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(duì)高端，對(duì)這種高端線(xiàn)材有剛需。而對(duì)于一些低端市場(chǎng)，隨著公司工藝水平的不斷提升，成本也會(huì)逐漸降低，未來(lái)也會(huì)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(lái)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。 |
