孫曉強(qiáng)將電力架構(gòu)分為光伏儲(chǔ)能、固態(tài)變壓器(SST)以及數(shù)據(jù)中心本身三大部分，詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)中心電力架構(gòu)的演進(jìn)路徑，展現(xiàn)了TI在這一領(lǐng)域的深厚積淀與創(chuàng)新實(shí)力。
在全球算力需求激增與數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷深化的時(shí)代背景下，如何更高效和安全的獲取、儲(chǔ)存和管理能源正以前所未有的速度重塑著各個(gè)行業(yè)，尤其是對(duì)電力需求極為龐大的數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。如何高效利用可再生能源，滿足未來數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的電力需求，已成為驅(qū)動(dòng)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵議題。
在第30屆高效電源管理及寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用論壇上，德州儀器（TI）儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)理孫曉強(qiáng)發(fā)表了題為《德州儀器在新一代數(shù)據(jù)中心電力架構(gòu)中的產(chǎn)品及系統(tǒng)解決方案》的演講，并接受了《電子工程專輯》的采訪，他將電力架構(gòu)分為光伏儲(chǔ)能、固態(tài)變壓器(SST)以及數(shù)據(jù)中心本身三大部分，詳細(xì)闡述了數(shù)據(jù)中心電力架構(gòu)的演進(jìn)路徑，展現(xiàn)了TI在這一領(lǐng)域的深厚積淀與創(chuàng)新實(shí)力。
德州儀器（TI）儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)理孫曉強(qiáng)
電力架構(gòu)革新：從48V到800V的跨越
隨著AI技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心對(duì)電力的需求急劇上升。目前，AI數(shù)據(jù)中心消耗的電力已占全球總電力的1.5%，且未來五年內(nèi)這一比例可能翻番。面對(duì)如此巨大的能源挑戰(zhàn)，如何提供更安全、高效的電力系統(tǒng)成為行業(yè)共識(shí)。
（圖自：德州儀器，下同）
“從當(dāng)前主流架構(gòu)來看，光伏系統(tǒng)在光照充足的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行發(fā)電并配置儲(chǔ)能設(shè)備，通過變壓器將電力輸向電網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心端則從電網(wǎng)取電，經(jīng)變壓器將高壓轉(zhuǎn)化為200-400V交流電，再供給服務(wù)器，最后轉(zhuǎn)換為48V直流電。”孫曉強(qiáng)介紹道，未來，隨著數(shù)據(jù)中心電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，電力架構(gòu)正向高壓400V乃至800V發(fā)展，服務(wù)器架構(gòu)內(nèi)將出現(xiàn)獨(dú)立電源邊柜，同時(shí)本地BBU和電源備份單元也將應(yīng)運(yùn)而生。
“TI 在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的布局和研究，”孫曉強(qiáng)強(qiáng)調(diào)，“從數(shù)據(jù)中心的高壓轉(zhuǎn)型到光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)的能效優(yōu)化，TI都提供了成熟的產(chǎn)品和系統(tǒng)方案。”他進(jìn)一步介紹，TI 的 GaN系統(tǒng)因其低損耗、高功率密度的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)中心高壓轉(zhuǎn)型中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，TI 的 GaN 器件在新一代數(shù)據(jù)中心中，能夠?qū)崿F(xiàn)從48V到800V的高效轉(zhuǎn)換，顯著降低了系統(tǒng)損耗，提高了能源利用效率。同時(shí)，固態(tài)變壓器的應(yīng)用研究也在不斷深入，旨在進(jìn)一步減少系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)效率。
“我們的目標(biāo)不僅是滿足當(dāng)前需求，更著眼于未來，希望通過我們自身的技術(shù)創(chuàng)新助力行業(yè)未來發(fā)展。”孫曉強(qiáng)的話語中透露出 TI 對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的執(zhí)著追求。TI 不僅關(guān)注產(chǎn)品的性能提升，更注重系統(tǒng)解決方案的優(yōu)化，通過集成化、智能化的設(shè)計(jì)，幫助客戶構(gòu)建更高效、更可靠的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。
光伏系統(tǒng)升級(jí)：從單向到光儲(chǔ)一體
在光伏領(lǐng)域，孫曉強(qiáng)詳細(xì)闡述了光伏系統(tǒng)的升級(jí)路徑。從最初的單向光伏系統(tǒng)到如今的光儲(chǔ)一體系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了向電網(wǎng)供電的功能，還配備了本地儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源的自我平衡。這種變化不僅提高了能源利用效率，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
TI 推出的單級(jí)逆變器系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)(TIDA-010954)，是光伏系統(tǒng)升級(jí)的一個(gè)典型案例。該系統(tǒng)主要使用半橋氮化鎵(GaN)和單模塊高壓氮化鎵，其中包含650V高壓 GaN，可直接將光伏板27-60V DC或48V電池電壓逆變?yōu)?30V AC，省去中間級(jí)轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)涵蓋了不同品類的TI產(chǎn)品，涉及不同頻段的霍爾電流傳感器以及 C2000TM系列的數(shù)字控制器(MCU)，通過優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)和控制算法，實(shí)現(xiàn)單顆 MCU 完成 DC/AC 轉(zhuǎn)換與 MPPT 控制。
相較于傳統(tǒng)反激式拓?fù)洌撛O(shè)計(jì)將磁性元件體積縮減50%以上，同時(shí)將開關(guān)頻率推高至250kHz，顯著減小EMI濾波器尺寸。其中，半橋氮化鎵器件的應(yīng)用，使得逆變器在高壓、大電流條件下仍能保持高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。而C2000 系列數(shù)字控制器則提供了強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制能力，確保了系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工況的快速響應(yīng)。
尤為值得一提的是，TI在光伏電弧故障檢測(cè)方面取得了突破性進(jìn)展。傳統(tǒng)方法依賴算法進(jìn)行電弧檢測(cè)，但誤報(bào)率高、精度低，難以滿足光伏系統(tǒng)對(duì)安全性的高要求。TI的電弧故障檢測(cè)方案（TIDA-010955）創(chuàng)新性地引入了邊緣AI技術(shù)，通過4通道可配置AFE采集電弧特征信號(hào)，利用TMS320F28P55x芯片內(nèi)置的神經(jīng)處理單元（NPU）加速器，將AI算法的執(zhí)行效率提升了5至10倍，實(shí)現(xiàn)了約98%的檢測(cè)精度。
“這一創(chuàng)新不僅提高了光伏系統(tǒng)的安全性，還為客戶提供了更可靠的能源解決方案。”孫曉強(qiáng)表示。通過邊緣AI技術(shù)，TI的光伏電弧故障檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別電弧故障，及時(shí)切斷故障電路，防止火災(zāi)等安全事故的發(fā)生。同時(shí)，基于這款參考設(shè)計(jì)，TI還提供了完整的電弧檢測(cè)功能搭建工具包，包括電弧識(shí)別的GUI、AI模型訓(xùn)練工具、部署代碼示例和程序軟件包等，進(jìn)一步降低了客戶的開發(fā)門檻，加速了產(chǎn)品的上市時(shí)間。
儲(chǔ)能系統(tǒng)升級(jí)：高壓化與無線化
在儲(chǔ)能領(lǐng)域，系統(tǒng)電壓正從1500V向2000V乃至2500V演進(jìn)，大容量電池（從300Ah到500Ah，未來或達(dá)1000Ah）成為降本關(guān)鍵。對(duì)于大電池應(yīng)用，被動(dòng)均衡電流的需求將增大，甚至可能會(huì)出現(xiàn)主動(dòng)均衡的需求。“對(duì)于這些提到的相關(guān)技術(shù)，TI提供了成熟且可供選擇的系統(tǒng)方案。”孫曉強(qiáng)表示，“針對(duì)高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)，TI提供了菊花鏈和CAN兩種通訊結(jié)構(gòu)的解決方案，以滿足不同客戶的需求。”
其中，高壓監(jiān)控板是TI高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案的核心部件之一。該板集成了高精度電池監(jiān)控芯片、IO擴(kuò)展芯片和藍(lán)牙芯片等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)控制。目前TI的三款參考設(shè)計(jì)（TIDA-010253、TIDA-010279和TIDA-010272）已全面覆蓋并適用于1500V高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中52串可堆疊電池管理單元參考設(shè)計(jì)TIDA-010279，形成BMU（電池監(jiān)控單元）、HMU（高壓監(jiān)控單元）、BCU（電池控制單元）三級(jí)架構(gòu)。
據(jù)介紹，BQ78706電池監(jiān)控芯片實(shí)現(xiàn)全溫度范圍（-40°C至125°C）±2.4mV高精度電壓采樣，內(nèi)置300mA被動(dòng)均衡電流，支持1Mb/s菊花鏈通訊，功能安全等級(jí)達(dá)ASIL-B。
在高壓監(jiān)控層面，BQ79731-Q1芯片實(shí)現(xiàn)±0.1%電流采樣精度與±0.5%電壓精度，絕緣阻抗檢測(cè)范圍50kΩ至10MΩ，精度±3.75kΩ，滿足ASIL-D等級(jí)。電池控制單元?jiǎng)t采用AM2634高性能MCU（四核ARM Cortex-R5F，400MHz主頻，2MB RAM），通過BQ79600-Q1菊花鏈轉(zhuǎn)SPI橋接芯片實(shí)現(xiàn)環(huán)形冗余通訊架構(gòu)。
特別值得一提的是，TI的TMP61溫度傳感器相比傳統(tǒng)NTC溫度傳感器，具有更高的線性度和更快的溫度響應(yīng)速度，是傳統(tǒng)NTC的三倍，特別適用于數(shù)據(jù)中心這類溫度變化迅速的環(huán)境。"在0到70℃范圍內(nèi)，TMP61的阻抗精度可以達(dá)到1%。"孫曉強(qiáng)表示。
同時(shí)，針對(duì)CAN通訊架構(gòu)的應(yīng)用，TI還預(yù)留了低成本的M0 MCU，實(shí)現(xiàn)了SPI轉(zhuǎn)CAN通訊的功能，支持儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活通訊。。
除了傳統(tǒng)的有線通訊方案外，TI還推出了無線通訊方案，利用板載藍(lán)牙通訊芯片取代傳統(tǒng)CAN通訊，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。數(shù)據(jù)顯示，52串無線電池管理單元參考設(shè)計(jì)（TIDA-010976）正是基于CC2662R-Q1藍(lán)牙芯片和BQ78706電池監(jiān)控芯片，實(shí)現(xiàn)了52串電芯的無線電池管理，信號(hào)保全率超過95.7%，抗干擾能力達(dá)到99.99%。
孫曉強(qiáng)表示：“無線通訊方案的應(yīng)用，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝和維護(hù)更加便捷，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。”通過藍(lán)牙通訊技術(shù)，客戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和故障診斷，大大提高了系統(tǒng)的管理效率。
此外，TI還針對(duì)高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)推出了完整的參考設(shè)計(jì)，包括高壓監(jiān)控板、電池控制單元（BCU）和電池管理單元（BMU）等。這些參考設(shè)計(jì)不僅提供了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，還包含了豐富的測(cè)試數(shù)據(jù)和驗(yàn)證報(bào)告，為客戶提供了全方位的技術(shù)支持。
固態(tài)變壓器：電力架構(gòu)的革命性突破
固態(tài)變壓器作為電力架構(gòu)革新的重要方向，據(jù)預(yù)測(cè)，2027年后，固態(tài)變壓器（SST）將取代傳統(tǒng)50/60Hz工頻變壓器，成為數(shù)據(jù)中心中壓配電的核心。孫曉強(qiáng)詳細(xì)解析了固態(tài)變壓器的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成。
固態(tài)變壓器通過多級(jí)串接形成高壓范圍，并在DC端并聯(lián)輸出以增加工作率和容量。“AC輸入通過級(jí)聯(lián)連接，級(jí)聯(lián)數(shù)量決定中壓電壓（10-34kVAC）。直流輸出并聯(lián)，輸出800V或更高，每個(gè)變換器單元中的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)中壓/低壓隔離。” 孫曉強(qiáng)說道，固態(tài)變壓器每個(gè)轉(zhuǎn)換單元包含AC/DC整流、DC/AC逆變、高頻隔離變壓器、AC/DC整流四級(jí)變換，AC/DC和DC/AC變換通過內(nèi)部線圈實(shí)現(xiàn)，最終提供800V直流電給數(shù)據(jù)中心供電。這種設(shè)計(jì)不僅減小了系統(tǒng)的體積和重量，還提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。
在固態(tài)變壓器系統(tǒng)中需要兩個(gè)MCU協(xié)同控制：MCU1負(fù)責(zé)高壓側(cè)功率控制與一次側(cè)DC/AC變換，MCU2管理次級(jí)側(cè)AC/DC轉(zhuǎn)換。此外，還需要一個(gè)主MCU負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)均衡與安全功能，采用同步通信協(xié)議對(duì)所有變換器單元進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。這種分布式控制架構(gòu)確保固態(tài)變壓器在多級(jí)級(jí)聯(lián)下的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)可靠性。
TI在此領(lǐng)域也進(jìn)行了深入布局，“C2000系列芯片非常適合數(shù)字電源控制應(yīng)用，”孫曉強(qiáng)推薦道，“該系列芯片具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制能力和高精度的PWM控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)變壓器的高效運(yùn)行。”
同時(shí)，TI還提供了各種驅(qū)動(dòng)芯片和電流采樣方案，如UCC218915驅(qū)動(dòng)芯片和AMC1302隔離運(yùn)放等，為客戶提供了完整的固態(tài)變壓器解決方案。
TI已發(fā)布的TIDA-010210參考設(shè)計(jì)，便是一款11kW三相中點(diǎn)鉗位三電平變換器的AC到DC電路設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)采用采用LMG3422R030 600V 30mΩ GaN FET，集成驅(qū)動(dòng)、保護(hù)以及溫度監(jiān)控，效率滿載超過98%，實(shí)現(xiàn)了高效、可靠的AC/DC轉(zhuǎn)換。通過這款參考設(shè)計(jì)，客戶可以快速評(píng)估固態(tài)變壓器的性能和可靠性，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本。
對(duì)于DC到DC變換器，TI采用DAB架構(gòu)，“此參考設(shè)計(jì)使用單管，若需要兼容更高電壓，可串聯(lián)更多開關(guān)管。”孫曉強(qiáng)表示，“從整體算法上來說，這是完全一樣的，可以作為參考。”
數(shù)據(jù)中心高壓電源：GaN技術(shù)賦能高效架構(gòu)
在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的當(dāng)前架構(gòu)中，需要將交流電轉(zhuǎn)換為800V高壓直流電，并配備帶有電池的本地備份單元，然后經(jīng)過高壓轉(zhuǎn)換，由800V的DC/DC轉(zhuǎn)換為48V，為板上芯片供電。TI同樣提供了全面的高壓電源解決方案，其中GaN芯片和C2000數(shù)字電源控制芯片發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
從AC/DC轉(zhuǎn)換到DC/DC轉(zhuǎn)換，TI的芯片幾乎在每一個(gè)環(huán)節(jié)都有所應(yīng)用。例如，在AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，TI的GaN芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的電能質(zhì)量轉(zhuǎn)換，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定的電源輸入。而在DC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，TI的C2000數(shù)字電源控制芯片則提供了強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制能力和高精度的PWM控制功能，確保了數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各組件的穩(wěn)定運(yùn)行。
未來 TI 針對(duì) AC轉(zhuǎn)800V，以及800V或正負(fù)400V轉(zhuǎn)12V的高壓直流（HVDC）的設(shè)計(jì)研究值得關(guān)注。
“TI的GaN芯片集成內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，能夠減少開關(guān)損耗，并提供可靠的保護(hù)功能，”孫曉強(qiáng)介紹道，“同時(shí)，我們的創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)有助于提高散熱特性，確保系統(tǒng)在高負(fù)載下的穩(wěn)定運(yùn)行。” TOLL封裝實(shí)現(xiàn)>98%效率與>100W/in³功率密度。其內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器將關(guān)斷損耗降至接近零，零電壓監(jiān)測(cè)（ZVS）功能無需外部電路即可優(yōu)化死區(qū)時(shí)間，集成OCP/SCP/OTP/UVLO保護(hù)功能，十分適配數(shù)據(jù)中心負(fù)載突變場(chǎng)景。
此外，TI還針對(duì)低壓48V BBU場(chǎng)景推出了低成本、高精度的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)（TIDA-010247）。該參考設(shè)計(jì)采用了低成本、高精度的BQ76972電池檢測(cè)芯片和高性價(jià)比的MSPM0系列MCU，實(shí)現(xiàn)了對(duì)48V電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)控制，也形成了從高壓到低壓的完整BMS方案矩陣。通過這款參考設(shè)計(jì)，客戶可以快速構(gòu)建出高效、可靠的電池管理系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)備用電源的多樣化需求。
持續(xù)深耕創(chuàng)新，助力行業(yè)發(fā)展
在采訪的最后，孫曉強(qiáng)總結(jié)了TI在儲(chǔ)能、光伏和電力架構(gòu)領(lǐng)域的布局與成果，并展望了未來的發(fā)展方向。TI在高精度電池管理、集成和低損耗的GaN以及更智能化的C2000 數(shù)字電源控制技術(shù)方面已有成熟產(chǎn)品，他強(qiáng)調(diào)，“TI 有著十分豐富的產(chǎn)品組合，在官網(wǎng)上客戶可以選型和購(gòu)買的芯片達(dá)8萬多種。同時(shí)，TI 也有一個(gè)具備深入專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)，他們的主要職責(zé)就是將這些芯片集成到一個(gè)系統(tǒng)中，進(jìn)而幫助客戶更快速的開發(fā)產(chǎn)品。”
在能源變革不斷推進(jìn)的行業(yè)大背景下，德州儀器在下一代能源架構(gòu)上的創(chuàng)新發(fā)展動(dòng)向值得我們關(guān)注，從本次技術(shù)論壇上強(qiáng)調(diào)的要點(diǎn)看來，公司未來在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、芯片集成以及智能化控制等核心領(lǐng)域，會(huì)進(jìn)一步加大研究投入，并計(jì)劃推出更多相關(guān)參考設(shè)計(jì)。這對(duì)于行業(yè)來說釋放了積極信號(hào)，有助于AI數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品更高效地進(jìn)行電源架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和評(píng)估，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。
“未來國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心大約80%的電力需求將由綠色能源滿足”。這意味著數(shù)據(jù)中心將直接部署光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，形成"光伏發(fā)電-儲(chǔ)能-數(shù)據(jù)中心"的閉環(huán)，省略了傳統(tǒng)架構(gòu)中交流到直流的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化高效。孫曉強(qiáng)總結(jié)道，“我們相信，通過持續(xù)的創(chuàng)新和努力，TI將能夠與行業(yè)一同走向更加綠色、可持續(xù)的未來。”
您可能感興趣
