用于下一代数据中心的基于GaN LLC转换器的非接触式直流连接器
来源：连接器世界网 作者：Yusuke Hayashi，Hajime Toyoda，Toshifumi Ise，IEEE会员和Akira Matsumoto
【大比特导读】本文提出了一种电感耦合非接触式直流连接器，用于数据中心的下一代380V直流配电系统。具有氮化镓（GaN）功率晶体管的LLC谐振DC-DC转换器拓扑结构被用于实现短距离高效非接触式功率传输。1.2kW的384至192V连接器的原型已被制造，并且已经通过实验确认了在1000kHz操作下，功率密度为8.1W / cm3的转换效率超过95％。
本文提出了一种电感耦合非接触式直流连接器，用于数据中心的下一代380V直流配电系统。具有氮化镓（GaN）功率晶体管的LLC谐振DC-DC转换器拓扑结构被用于实现短距离高效非接触式功率传输。1.2kW的384至192V连接器的原型已被制造，并且已经通过实验确认了在1000kHz操作下，功率密度为8.1W / cm3的转换效率超过95％。
考虑到GaN功率器件的特征和变压器的磁芯材料的特性，已经进行了设计考虑并且已经显示出达到10.0W / cm3的潜力。非接触式直流连接器将隔离式DC-DC转换器的功能集成到连接器中，以节省空间，并且由于电感耦合，可以在没有电弧的情况下切断直流电流。所提出的连接器有助于实现高效、节省空间且可靠的未来380V直流配电系统。
关键词：非接触式电源，直流配电，DC-DC电源转换器，氮化镓（GaN）。
一、简介
由于信息和通信技术（ICT）设备的广泛使用，数据中心和电信建筑物中的网络流量最近迅速增加。这些建筑物和数据中心的能源和资源保护将有助于解决我们的一些全球环境问题。
自2008年以来，日本电报电话集团一直致力于开发380V直流配电系统，以超越传统的48V直流配电系统，实现高效节省空间（高功率密度）的供电系统。
高效和超紧凑的功率转换器对于实现高功率密度的直流配电系统具有吸引力。在过去几十年中，功率转换器的功率密度一直在增加，并且据报道，直流电源系统中的功率转换器功率密度甚至超过10 W / cm3。高功率密度转换器不仅有助于实现其在传统系统中的性能改进，而且有助于开发完全优化的新型直流分配系统。
用于实现更高功率密度的直流分配系统已被提出，其考虑了输入串联和输出并行（ISOP）以及输入并行和输出串联（IPOS）组合的高功率密度DC-DC转换器。有两个关键功能，如下所示。
?安装了一个高压（HV）AC-DC转换器，它由具有串并联连接拓扑结构的低压AC-DC转换器组成，用于去除配电变压器。
?电感耦合非接触式直流连接器（ICCC）被用于降低隔离式DC-DC转换器（作为电源单元（PSU）和传统金属触点连接器）所产生的总体积。电流隔离和电压转换的功能继承到ICCC。
没有配电变压器的高功率密度AC-DC转换器是固态变压器的一部分，并且它们的性能已被报道。甚至还有关于直流连接器的非接触式电源技术。然而，就未来直流配电系统的功率密度而言，尚未讨论非接触式连接器的应用效果。
本文定量研究了高功率密度ICCC的可行性。第二节介绍了使用ICCC的直流配电系统。然后，第三节描述了电路配置和连接器特性的细节。在第四节中，考虑到氮化镓（GaN）功率器件和变压器的磁芯材料的特性，进行连接器的设计考虑以显示实现高功率密度的潜力。在第五节中，基于设计结果制造了非接触式直流连接器的原型，并且在1.2kW 384至192V 1MHz操作下实验验证了该设计的有效性。
二、使用ICCC的下一代380V直流配电系统
1、ICCC概念实现更高功率密度的380 V-DC配电系统
图1显示了用于电信电源的隔离式DC-DC转换器的功率密度趋势。在研发阶段，已经为380V直流配电系统开发了功率转换器，功率为10 W / cm3。380V直流配电系统连接器的功率密度如图1所示。连接器插座的体积为100 cm3，单个插座的功率密度为10 W / cm3，输出功率为1千瓦。
图1. 用于380 V直流配电系统的电信电源和直流连接器的隔离式DC-DC转换器的功率密度路线图。
图2为用于数据中心的传统380V直流配电系统的示意图。在图2中，带有金属触点和隔离式DC-DC转换器（如PSU）的连接器安装在整流器后面的380V直流配电线路中。转换器的功率密度现在处于10 W / cm3的水平，超过50 W / cm3的高度集成的转换器现在可用于作为车载电源的低电压应用。外围设备的影响在不久的将来会变得明显。
图2.传统380V直流配电系统的配置。
图3为所提出的具有ICCC的下一代380V直流配电系统的示意图。严格控制的直流380 V由高压整流器提供，该整流器由ISOP-IPOS中连接的传统整流器组成，无需配电变压器。通过ICCC为负载提供多级直流电压，传统的金属接触式连接器和隔离式DC-DC转换器集成在单个硬件中。在图3中，分别考虑用于ICT服务器、存储系统和照明的48、192和384 V的直流电压。通过改变变压器的初级和次级绕组的匝数比或使用低压变换器改变ISOP-IPOS连接拓扑，可以从384 V的输入电压转换这些电压。
图3.使用非接触式直流连接器的下一代380V直流配电系统的配置。
这里，隔离DC-DC转换器的初级和次级电路分别作为用于连接器的一对插座和插头。电力通过短距离的电感耦合从初级电路传递到次级电路。
表1显示了已开发的380V直流配电系统和使用ICCC的所提议直流配电系统中已安装组件的功率密度。通过采用非接触式直流连接器，如果功率密度为10.0W / cm3的隔离式DC-DC转换器直接用于连接器，直流接口的功率密度可以理想地从5.0 W / cm3提高到10.0 W / cm3，因为不必考虑传统连接器的体积。这意味着高功率密度隔离的DC-DC转换器不仅可以改善其功率密度，还可以改善整个直流配电系统的功率密度。
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