原创 电源新革命！电感变压器如何迎战AI时代的极限挑战？

【哔哥哔特导读】AI技术的迅猛飞跃，正掀起服务器电源领域的革命性浪潮！在这个全新时代，电感变压器的设计与生产如何突破创新，才能更好助力AI服务器高效能计算？

编者按

相较于普通服务器，AI服务器在硬件架构、计算能力、存储效能以及散热机制上均实现了深度革新与优化，其强大的并行处理能力不仅彰显了技术上的飞跃，更完美契合了AI算法在处理海量数据与高复杂度计算任务时的严苛需求。

随着服务器性能的提升与能耗需求的增加，将具体如何影响AI服务器电源的发展？从而又会给电感变压器带来哪些新的电源技术挑战？

本期《对话》栏目，我们特别邀请了来自高校的研究学者、AI服务器电源领军企业代表、电感变压器企业资深专家与磁性材料技术中的先锋企业，共同探讨电源设计的新趋势及其对电感变压器等关键组件带来的电源技术挑战与机遇。

对话导览

1.随着AI技术的普及，服务器电源面临带来哪些新的电源技术挑战？

2.AI服务器电源新的电源技术要求，会对电感变压器产生怎样的影响？

3.电源技术产业链企业间应如何合作，推动磁元件在AI服务器电源中的应用？

随着AI技术的普及，服务器电源面临哪些主要的电源技术挑战？

台达电子杨海军：这个电源技术挑战主要分为两块。一是前级电路中，从电网转到54V或12V的过程，与传统设计不同，AI服务器电源通常需要接近两倍的过载能力，这对电感变压器的电源设计提出了很高的要求。

由于AI服务器电源在轻载或空载状态下的时间较多，因此更追求电源设计在这个范围内的最低损耗。同时，它也需要具备在短时间内处理大量数据时的高载能力。

这要求我们在设计电感变压器电源时，不仅要考虑电源正常载荷下的性能，还要预留足够的电源超载能力。

二是在后级电路中，从12V或更低电压转换到AI服务器GPU实际使用的0.8V或0.65V，这里需要处理的是低压大电流的情况，电流可能高达1000A甚至4000A。

因此，电感变压器需要实现小体积但能承受大电流，同时保持电源低损耗和热稳定性，这是真正的瓶颈所在。

由于电流非常大，使得引线或焊接点上的损耗也很大，达到几十瓦。这要求电感变压器与电源进行整合设计，减少引线和焊接点的数量，并尽量缩短引线长度。

这对我们的工艺要求以及电源板的整合都提出了非常高的要求，直接影响了电源设计和制造成本。

杨玉岗教授：现在AI服务器电源要求其效率达到97%甚至是98%，而电感变压器在当中的损耗占比很大，所以我们需要从磁性材料和线圈方面入手，减少损耗，同时减小体积。

麦格米特段文辉：AI服务器电源在本质上其实与其他数据中心服务器电源的概念差异不大，但主要区别在于其对高功能密度和高效率有着更高的要求。这也是我们电源设计过程中需要重点考虑的方向。

由于会在电源的前端滤波、PFC（功率因数校正）等环节使用不同类型的电感变压器来确保电源的稳定性和效率，AI服务器电源中所用到的电感变压器数量也会有所增加。

威海东兴张洪伟：近年来电源领域对小型化、高频化及高功能密度的需求日益增长，AI服务器电源也是如此。

微硕谭福清：AI服务器电源对于磁性材料的特殊要求在于其温度特性的要求不一样。由于AI服务器电源多数情况处于空载或轻载状态，电源在这种状态下，工作温度较低，这就要求其在常温到60℃这个温度范围内做到损耗较低。

具体而言，汽车电子产品和充电桩要求材料的最佳损耗温度在140℃到160℃。而AI服务器则要求在常温到60℃这个比较低的温度下有最佳电源损耗。难点在于，如何在这个范围内，做到更高的效率。

为了满足AI服务器电源的高要求，电感变压器能在研发上做哪些创新？

杨玉岗教授：面对AI服务前电源大幅度的电压变化，传统变压器或平面变压器需要设计大量的匝数，这不仅增加了PCB布线的复杂性，还带来了诸如绕组散热不均、电源损耗增加等一系列问题。

为解决电源设计这一难题，我们提出了高电压低绕组匝比变压器的电源设计理念，旨在通过优化绕组结构和材料应用，达到在减少匝数的同时保持或提升电源变换效率的目标。

此外，扁平立绕线圈作为当前行业内的流行趋势，虽然有助于进一步节省空间和提高集成度，但其固有的电流分布不均匀问题却不容忽视。

针对电源设计这一问题，楔形立绕线圈可通过精心设计的线圈形状，有效改善电流分布的均匀性，从而降低局部过热和能耗损失的风险。

同时，我们也在不断探索提升铜材利用率、减小铜材阻抗的方法。这不仅关乎于材料的优选与加工技术的革新，更涉及到对整个电路设计的深入理解与优化。通过这些努力，我们旨在实现电感变压器在小型化、高效化方面的双重突破。

台达电子杨海军：目前在AI服务器电源中，我们已经应用了磁集成的设计方案。这是因为在大电流的情况下，将电感变压器与电源分开设计会导致焊接点损耗巨大，无法满足电源应用效率和客户需求。

台达的优势在于电源和电感变压器可以整合在一起，双方合作实现更优化的布局。在AI服务器电源项目中，我们通常会用到12组或24组的电路和相应数量的电感。

为了提高电源效率，我们采用垂直供电的方式，这有助于减少焊点和引线的损耗。这种设计使得电源和电感变压器的整合更加紧密，从而提高了整体电源应用效率。

麦格米特段文辉：高功能密度主要涉及到电感变压器的实体设计和制造工艺。我们一直在探索如何通过优化电源设计和提升制造工艺来提高电感变压器的电源功率密度，从而满足AI服务器电源的高性能需求。

电源高频化也意味着更高的电源损耗和更复杂的电磁兼容性问题。因此，我们在设计电感变压器时需要更加注重材料的选择、结构的优化以及与其他半导体器件的协同工作，以确保整个电源系统的高性能和稳定性。

郡嘉电子龚长鸿：AI服务器电源更多会用到平板变压器，我们也会通过磁集成技术来提升产品性能。因为AI服务器电源追求效率，我们还联合了新康达和铂科，对磁性材料进行技术创新。

威海东兴张洪伟：现在电感变压器的设计方案越来越灵活多样。如客户强调控制体积，在空间有限的情况下，我们能通过磁集成设计的方案提高空间利用率，减少体积；

而在高压或者高频的环境下，我们也可以采用磁芯阵列化的方式减小电源分布电容，有效降低每个变压器的电源安规指标。

这些电源设计创新成果在提升产品性能、降低成本方面取得了哪些显著成效？

郡嘉电子龚长鸿：之前有客户使用的是无桥PFC和GaN方案，不仅成本较高且效率有限，郡嘉通过改用主动PFC，利用磁集成技术改变电感变压器产品设计结构等创新手段，将电源效率从最初的93%成功提升至99%！

同时，由于减少了氮化镓材料的使用，电感变压器产品成本大幅下降。据客户反馈，我们的电源设计方案最高效率达到99%，达到了无桥SiC和GaN的效率。

威海东兴张洪伟：第三代半导体的应用，使得电感变压器传统分离式设计已难以满足客户需求，我们转而采用高度定制化的磁性材料与骨架设计，以最大化产品利用率并节约空间。

在电源设计过程中，我们利用数模仿真技术确保方案的精确性，减少后期调整成本，实现电源产品性能与成本的双重优化。

在电源产品创新的过程中，是否会对磁性材料、线材、设备等提出新要求？

麦格米特段文辉：随着AI服务器电源对性能要求的提高，我们对电感变压器的设计和生产设备也提出了更高的要求。比如，我们需要更先进的自动化生产设备来确保电感变压器的精度和一致性；

同时，我们也需要更可靠的电源测试设备来验证电感变压器的性能指标。此外，由于电感变压器的定制化程度较高，因此我们在电源设计和生产过程中还需要更加注重与客户的沟通和协作。

郡嘉电子龚长鸿：随着终端产品频率的提高，磁芯和线材的损耗也会增加，这对我们电感变压器企业来说是一个不小的技术挑战。为了解决电源设计这个问题，我们会和电源供应商合作，共同寻求降电源损耗的方法。

在线材方面，我们对体积和尺寸控制的比较严格。为了应对频率提升带来的趋肤效应，电感变压器企业需要采用更细的线材，并需要满足一定的尺寸。

威海东兴张洪伟：在电源技术创新过程中，我们与上游电源供应商紧密合作，推动磁性材料、线材及设备的技术进步。磁性材料近年来本身的性能提升有限，主要还是通过电感变压器的结构设计来优化产品。

另一方面，多股线虽然能解决损耗问题，但其空间利用率很低，我们也在推动线材厂商推出超薄化扁平线，提升宽厚比，来提高磁性元件产品的空间利用率，摆脱传统多股线的方式。但这又会对绕线技术提出更高的技术要求。

可以说近年来磁性材料、线材与设备的发展都是这样互相拉锯中推动发展的。

与AI服务器电源企业之间的合作模式是怎样的？如何推动电源技术产业链企业的合作？

台达电子杨海军：在合作模式上，我们注重与电源厂商和电感变压器厂商的紧密合作。我们需要清楚地了解电源应用环境中的最恶劣条件，并据此指导电感变压器的电源设计。

同时，我们也需要与电源厂商沟通清楚效率、热管理等方面的要求，以实现整体的电源设计优化。

威海东兴张洪伟：电源工程师设计的方案中，电感变压器选的基本是标准品，但这样电源设计下来，尺寸往往不能够符合他们的需求。所以我们会在客户立项的时候，就参与到电源设计中去。

实际上，电感变压器厂商的设计创新能力，能有效提升我们电感变压器企业的话语权。

杨玉岗教授：电源企业的产品不断发展变化对电源体积、成本和厚度等方面都有严格要求。因此他们也会关注新的电源设计方案并考虑是否采用。

如果原有的电源设计方案无法满足要求那么他们自然会考虑采用新的电源设计方案。磁元件企业需要积极推广新电源技术和新电源产品以满足市场需求。

如何看待AI服务器电源与电感变压器/磁性材料未来的发展趋势？

杨玉岗教授：对于电感变压器来说，需要综合考虑线圈、绝缘材料、结构工艺等多方面因素进行优化电源设计。未来的电源发展趋势是追求体积最小、成本最低或损耗最低等综合最优指标。这对我们来说既是挑战也是机遇。

麦格米特段文辉：AI技术的普及无疑将带动服务器电源需求的快速增长。这将对磁元件技术提出更高的要求，包括更高的电源功率密度、更高的电源效率、更小的电源体积以及更低的电源设计成本等。

威海东兴张洪伟：对于电感变压器企业而言，考虑到性价比跟成本，未来将朝着标准化、自动化生产的方向发展。通过实现产品的标准化与自动化生产，我们可以进一步降低成本、提高产品一致性与质量。

同时，随着第三代半导体的广泛应用，高频化趋势将进一步推动电感变压器的小型化与集成化发展。这将为我们带来更多的市场机遇与挑战，也将促使我们不断创新、追求卓越。

微硕谭福清：主变压器目前使用铁氧体材料较多，97材料是目前最好的，只是目前能做的企业不多，但这是未来发展的趋势。

台达电子杨海军：未来AI服务器电源将朝着更大功率、更低电压的方向发展。前级电源将需要承受更大的功率，而后级电源则需要处理更低的电压和更大的电流。这将对电感变压器的设计和制造提出更高的要求。

同时，我们也期待看到更多电源设计创新的合作模式和电源技术方案的出现，以应对这些挑战。

结语

随着AI技术的蓬勃发展，AI服务器电源正经历着前所未有的变革，这不仅为电源技术产业链企业带来了电源设计技术挑战，更孕育了无限的发展机遇。

由于AI服务应用场景的特殊性，要求电感变压器在前级电路中必须具备高过载能力，并在后级电路中，需要处理低压大电流的情况。这就要求电感变压器不仅要预留足够的超载能力，还要在承受大电流的同时保持低损耗和热稳定性。

面对这些挑战，电感变压器企业纷纷采取创新措施，如扁平立绕线圈的优化、磁集成技术的应用以及高频化、小型化的探索等，旨在提升电源产品性能、降低电源设计成本并满足市场需求，这进而又对磁性材料、线材、设备等提出了新的需求。

未来，随着AI技术的进一步普及和服务器电源需求的持续增长，电感变压器企业将继续面临更多的机遇与挑战。为了应对这些挑战并抓住机遇，企业需加强与电源技术产业链上下游的合作，共同推动电源技术创新与电源产业升级。

同时，注重磁性材料、线材、设备等关键环节的协同发展，也是实现电感变压器技术突破的重要途径。

我们相信，在不久的将来，电感变压器技术将实现更加辉煌的发展，为AI服务器电源市场的繁荣贡献更多力量。

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