数据中心电力电子变压器技术探讨

数据中心固态变压器技术探讨So/id:St囗te7丫囗nsformersjʼnrF∨tureD囗ta

C卫nter一智算中心架构与发展趋势一数据中心固态变压器的现状与挑战一研究进展与展望汇报提纲电

力电子与电力传动研

究所Powcr

Eletronics&

ElkcJricaDrivcs2/40卧dkN伙土

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(我国目前全社会居民用电的占比平均为15%)①EED

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数据中心—“ThcEnd

ofAⅠisElcetrqcity"数据中心用电需求孓不旧聂1聂弋亻π机房

T机房UPS

动力室低压配电室·高压室、变配电室讠低压室、UPS/HVDC室、电池室等，类型多且布局分散，电力设备占地面积超过数据中心机柜面积的50%以上；·随着IT机架功率密度的提高，辅助区域占地面积比例越来越高，严重挤占IT机柜可用面积。配电房面积2.5万m²机房面积1万m230kw机柜配电房面积1万m2机房面积12kw机柜机房面积1万m26kw机柜数据中心各功能区及分布电力

叟子与电力传动研究所PσwcΓ

EleatΓσnIc氵

&E!cctΓıcal

D[Ives数据中心的供电系统配电面积与IT柜面积比①

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2009

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NVL72机柜■NVL72机柜：将

72颗

Blackwell.UltraGPU连接成一个单一的、巨大的GPU系统，功耗120kW.电力

曳子

与

电力卢动研兜所PŪ开&Γ

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MV/LV

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RMS3-Phase

AC400V/480V

RMS3-Phase

AC

10kV-20kV1-Phase

AC

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曳子与

电力传动研究所Source:

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&E!cctΓIc况」DrlvEs传统供电方案：UPS方案DATACENTER

-

POWERTRAINARCHITECTURE①

EED408/1

传统供电方案：UPS方案■华为电力模块(变压器+UPS)围2二52.5MW空内电力典決外观

(配景5)2

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9DrŊ门H心Ű4刁⑦流流辆密配电柜油机配电单元管理系统

IT设备油机电力模块电池组智能母蜘椿密配电柜中压配电单元电网rPDU(正匡Ŋ

D<ⅪnH沁Ⅺ4门1Source:

Huawei电力电子与电力传动研

究所PσwcΓ

Elccłŀσ刃ics

&ElccĮΓic况lDrivc§绅δI电力模姣归南大檐块仍们啟力t让倆丨支侍暂佬母浅丞端伐膈倘出方怯→

果猖暂滿乱性琳出方怯，肃拍舫妩飚惴畝狀珈+<3〕补坍<6)

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ⅤPS铂米朽电池组电力模块图B-6配昼6孔位尺寸

∫单位：mm)IJS0自Nn供丿引ı9/40中压

配电单元信号rPDU智能拇线J十功率囤2-1

地呵迎用电网3-PhaseAC

3-Phase

AC

HVDC

DC10kv/20kV

50H乙/60Hz

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力电子与电力传动研

究所

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HV

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12V-

3.3∨3-Phase

AC

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IBCSource:

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电力

曳子与

电力費动研兜所HVDC:

SST方案DC/DCSSτPŪwcΓ

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电子与

电力传动研究所PowcΓ

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&E!cctΓı已孔lDŗIvCs①

EED14/40…cW彐⑴u________________←←u二二

.cYeaΓ人…____________“过去三年，变压器价格上升4-9倍!交付周期增加8倍”Source:

NREL2024年报告Source:Prof.

Kolaŗ,

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电力叟子与电力传动研兜所PowcΓE]cdΓσΠLcs

XE!cctΓıcηlDΓIvCs数据中心电力电子变压器15/402.4MWIOKVSST总窒量Iį2MY!貪扌套L

苎奎>2?įş呸■贵安数据中心基地应用体积减小60%研制电源16/40传统电源■

10kVac/27ōVdc2.4MW数蜛中心SST"东数西算"

装备(西电电力电子&哈工大)数据中心电力电子变压器研究情况四EED

电力

曳子与

电力传动研兜所Pow

它ΓEļcĒ忄ΓoŊIS氵XElcc:攵1ī况」Lryvt§>数据中心供电多采用铅酸蓄电池作为能量备用，电池的电压管理依赖于上级供电系统；>

电池的均充、浮充需求要求供电系统具备宽电压运行能力，而SST难以在宽电压范围下保持高运行效率。e.g240V系统(20⑩V~290V),336V系统(280V~400V)Li

lon,15.0%LeadAcĥd,85.0%Source:Frost

&Sullivan数据中心电池种类市场占比DEED

电力曳子与电力传动研究所PoweΓ

Electrσnics

&ElectΓical

DrivesSST技术挑战

电压调节能力数据中心蓄电池间17/

40TotalDataCentre

BatteΓy

Market:

Lead

AcidVs.

LHonRevenue

Split,

2020

SST技术挑战

-电压调节能力■

DAB调压方式一单移相>存在电感电流与原边电压相位相反的阶段：回流功率，高电压增益下，增加功率器件和磁性元件导通损耗；>

高电压增益下，电感电流上升速率大，电流应力增大。wnVz电流

8①

EED

电力

曳子

与

电力传动研究所PoweΓ

ElcdΓσnic≤&ElcctΓiīal

Driv℃§回流功率18/40h3

Γ回流功率有明显降低内移椹ŀ亍SPS回流功率EPS下2

3

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nŀ乏功率扩展移相调制(EPS)

SST技术挑战

-电压调节能力■

DAB调压方式一双重移相/扩展移相/三重移相电流应力U/nV乏>

增加额外控制自由度

“

内移相角”

优化回流功率；>

高电压增益下，电感电流上升速率依然较大，电流应力优化有限。四

EED

电力

曳子

与

电力恃动研兜所2.升2ŀ1.外10.斗0PŪwcΓ

ElcdΓŪ玑Ic氵XElcctΓI已a』D℃lveš19/

40回流-

Ŀ亻-

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减小励磁电感→使增益曲线陡峭：无功环流增大，增加电流应力和器件损耗；>

宽范围调压→宽工作频率范围：变压器体积增大。励磁电感减小无功环流和关断电流增加21.8

-Lm/G=21.6

1.4

&/L=101.2增益

10,

80.60.4变频范围宽

0.20

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0.2

0.40讠

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SST技术挑战

-电压调节能力■

SRC调压方式一调频①

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电力

电子

与

电力传动研究所PσweΓ

E]edłronIcs

&E!ectrical

Driv℃s20/40DC-Liùk"忙

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d幺_上儿心įįę/įķ(2h)P扎thAQ/DC?ţ论/七k(2为:Pìť芹

Žļ℃Λp(2爪)DQ/DC整流环节直流侧电流含有直流分量和二倍频分量AC

DCDC

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吩PCC1+(xx(

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单相整流环节引入二倍频功率脉动，导致后级DC丿DC环节中叻率器件和变压器的电流应力增大2倍，有效值增大1.2倍以上SST技术挑战

-二倍频功率脉动四

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电力

曳子

与

电力传动酐兜所PowCΓE!E引IW玑Ics

&E!ccĮΓI已孔l

Dr!ve≤21/

40>DC/DC环节若采用谐振变换器，二倍频电流大小取决于高压侧电容与电感+电阻的阻抗分流；>

开关器件和变压器电流应力增大一倍以上，有效值增加20%以上，增加损耗和成本。1.4IRM81.21.0Rms(w/o

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10

20

30

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50G(mF)SST技术挑战

-二倍频功率脉动器件电流

谐振变换器等效电路①

EED

电力

叟子与

电力传动研究所

PŪweΓ

ElBetrσnic氵

&

ElccĮΓIcal

Drive≤阻抗分22/4017f18]10

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1000

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Pk(Source:CPES100变压器36%接触器

F取能电源功率器件电容》变压器占据功率单元40%以上体积，高频化以提升变珏器功率密度；>

受变压器散热能力约束，在保证功率密度的前提下，频率的提升限制了变压器功率等级。SST技术挑战

-功率密度Frequency

(kHz)电

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子

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力传动

研

究所

PoweΓ

Eļcd1Γonics&Electrical

Drives功率单元内部器件尺寸占比器件间绝缘等空间散热器23/4010%电压等级V↓颅率(↑特征压电穿击征特挑战2→绝缘频率ŀHz洛桑联邦理工学防认EPFĐ)

瑞士苏黎世理工学浣ŒTH)弗吉尼亚理工大学(\π)

300kW,

2kHz

16ókW,

2σkHz

15kW,

500kHz挑战1

须率(↑→

额定功率P↓损耗王剐里文惦引可杰冼.王蠡李鸿涛髙枉大容量抱力电子变压器中高频变珏器研沁颈以和发层超势卩.后陡咀求沭氵202{)A6(10):3362-337弍电力电子与电力传动研

究所>兼顾“三高”技术要求：高功率密度、高效率、高可靠性中频变压器!SST技术挑战

-功率密度高功率密度高效率高可靠性高功率高电压高频率PowcΓ

E]cĒ刂ŗŪnic氵

&E!cc1Γi已ďlDriv℃≤技术要求技术目标挑战24/

40Tua

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模块化：DC/DC采用IPOP结构可解决高频下功率等级不足问题；>

但各并联单元的参数不一致会导致严重不均流问题，造成个别单元过载甚至损坏。四EED

P电Ūw

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25/40SST技术挑战

-功率密度两台传统谐振变换器并联运行结果谐振变换器并联示意图一智算中心架构与发展趋势一数据中心固态变压器的现状与挑战一研究进展与展望汇报提纲电力

曳子与电力传动研究所PσwcΓ

EļQdΓσΠĿc3&E!EctΓı已孔lDŗĮvcs①

EED26/40uĎS3C₁2S小ui2GdsFL片S！片S2Ć。ΓhDIDsdDsl2GiD₁₂ΓhDlO

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钳位谐振SST方案■

钳位谐振型DC/DC变换器>谐振电容并联钳位二极管，

将谐振电容电压变化范围约束在0

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灬-Umĥua眨丝ŝ℃L>谐振电容与谐振电感谐振，两个谐振电容电压的初值分别为输入电压和0;>

由于谐振电容并联了二极管，电容电压无法为负值，谐振电容电压到零后，该阶段结束。■

DC/DC运行原理→谐振阶段[,tl钳位谐振SST方案四

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电力

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电力传动研兜所PŪwcΓ

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&E!ccłΓIc况lDΓ!v仑š28/40Uto

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谐振电感储存的能量继续向副边传递，电感上的电压为-nU。,电感电流逐渐下降到);>

电流流过谐振电容并联的二极管，谐振电容电压保持为0和输入电压；>特点：丑送遇聖珏堂垫虬二遒振曳窒曳压兌型为输△曳堡租Qi绮速睦赳二分逊变为!租输△曳压■DC/DC运行原理→

钳位阶段[,

1钳位谐振SST方案四

EED

电力

曳子

与

电力传动研匀所PŪweΓ

ElcdΓonic氵

&ElectΓical

D[ives孑而29/40[20铂sldįy(b)谐振

电流[20扣δ/djv(e)开关频率τŽ0方氵7aiī(ď)输出电流电力

电子与电力传动研究所1000V800V600V400V200V仿真结果

@输出电压900V

→600V①②[2Ũms7aiī50A0A-50A[5μs/div]λ50A

[5

μs/div

]

」0A-50A100A50A0A-50A-100A52kHz50KHz46kHz50A37.5A2氵A①

EED钳位谐振SST方案②

600V输出①

900V输出PŪweΓ

ElBdronics&ElcctΓical

Drive≤(a)输出电压30/402025/02/25

22:13:30Previ℃w90σV

5_0102

s输出电压600V2tsdNM/§m电V

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1642.0msT2

1628.5ms___R厂τ爪s业Ţ

二14±Q1刂1虫一8tŋ12

-f00

钳位谐振SST方案■

实验测试：宽范围调压能力·输出电压600V→900V__600V输出端口电压谐振电流输入端口压00kV

50.0

W

500

V

EāgeCH3开H亍īī干yN石FnaĪ亚☑

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2.

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二19±§2尘yŝ!Ŀs电力电子与电力传动研

究所PowcΓElcc1ro刃ics

&E!ectric况l

Drivcs31/40∮

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10ms/div0AH內≤¥y

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(oA/刂氵y)0A>■

传统谐振变换器：二倍频电流成分高达97.8%

,■钳位谐振变换器：二倍频电流可抑制在8%以内，总电流应力降低49%钳位谐振SST方案卩DEED

电力曳子与

电力传动研兜所>

传统谐振变换器钳位谐振变换器PowcΓ

Ejcc忄ΓŪ刀ic3

&Ē〗cctτic礼[DTįv℃s33/40

钳位谐振SST方案■并联运行扩容>传统谐振变换器，增益特性受参数偏差影响大，并联运行下极易导致部分变换器功率过载；>钳位谐振变换器通过二极管约束谐振电容电压，限制变换器最大输出功率，实现井联运行下的主动限流，无功率过载问题。模块ı模块2mitU①

EED

电力

电子与电力传动研究所

PŪwcΓEļccŁΓσŊIc氵&E!ccłΓıī况」DrIv℃§传统谐振变换器增益特性钳位谐振变换器增益特性34/40钳位谐振SST方案并联Case:Stuly:谐振电感偏差5%

,

谐振电容偏差5%,变比偏差0.5%传统谐振变换器

>钳位谐振变换器[5us/div]

[5us

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35140cΓ力钳位谐振技术电压适应性

均流特性7(f榔夬2仆仃C。→

并联自动均流，实现标准化、高可靠设计钳位谐振SST方案→

谐振过程可控，适应电压增益不匹配情况电

力电

子

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力传动

研

究所PowcΓ

E]cε1ΓσŊics&E!cctric况l

DrjNcs所研制的新一代SST样机36/40愤块1-U。一ą

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x一刊ε乙_______体尬册云挝栅归一化至工频50Hz频率190-180

@环氧树脂

-←30℃170斗

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80701301400234567

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91011绝缘击穿强度

怕骄

)频率(kHz)>

高电压绝缘挑战(10kV→35kV):分散怯方案各模块变压器均按照MV等级设计绝缘，击穿强度随频率升高而降低，绝缘距离需进一步增大，对于高电压等级下供电装备体积及成本难以优化。》集中怯绝缘处理，减少高频变数目[ı]w;W泓Q名e1

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