【国际论文】美国康奈尔大学：基于阻抗控制网络的高性能单级 48 V 转 1.8 V 负载点变换器设计

        由康奈尔大学的研究团队在学术会议2025 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)发布了一篇名为Design of a High-Performance Single-Stage Impedance Control Network-Based 48-V-to-1.8-V Point-of-Load Converter（基于阻抗控制网络的高性能单级 48 V 转 1.8 V 负载点变换器设计）的文章。

        随着人工智能的发展，预计到 2030 年数据中心的电力需求将翻倍以上。处理器核心电压持续降低、功耗大幅提升，高效为处理器供电成为重大挑战。传统服务器机架 48 V 直流母线需先转为 12 V 中间母线，再通过多相降压变换器（VRM）转为核心电压，存在损耗高、效率低的问题。单级架构可直接从母线电压转换为核心电压，是更高效的解决方案。阻抗控制网络（ICN）拓扑能在宽输入电压范围内实现逆变器全软开关，非常适合单级负载点应用。

        本文介绍了一种基于阻抗控制网络（ICN）的 48 V 转 1.8 V 负载点变换器的设计与优化。该变换器利用 ICN 实现逆变器晶体管的零电压开关与近零电流开关，确保宽输入电压范围内的高效率。通过级联导抗网络与矩阵变压器完成 48 V 至 1.8 V 的降压。对多种矩阵变压器结构进行损耗分析，并从走线交错、过孔布局、变压器铁芯截面等方面优化设计。优化后的变压器损耗较未优化设计降低约 20%。研制集成优化变压器的 90W 样机，输入电压范围 36V–60V，功率密度达 312.8 W/in³。

        · 采用阻抗控制网络（ICN），实现宽输入电压范围下逆变器零电压开关（ZVS）+近零电流开关（near-ZCS）。

        · 采用级联导抗网络+矩阵变压器，实现 48V→1.8V 单级直接降压。

        · 系统优化矩阵变压器：匝数比、过孔布局、走线重叠、铁芯截面，损耗降低约 20%。

        · 外置漏电感替代变压器漏感，改善交流导通损耗，提升整体效率。

        · 研制 90W/1MHz 样机，功率密度312.8 W/in³，效率85%。

        本文完成了基于阻抗控制网络的 48 V 转 1.8 V 负载点变换器的设计与优化。对多种矩阵变压器结构进行损耗分析，并从走线重叠、过孔布局、变压器铁芯截面等方面完成设计优化。优化后的变压器损耗较未优化设计降低约20%。研制集成优化变压器的 90 W 变换器样机，工作输入电压范围 36 V 至 60 V，功率密度达到 312 W/in³。

图 1 所提单级 48 V 转 1.8 V 负载点变换器的架构。

图 2 基于阻抗控制网络（ICN）的 48 V 转 1.8 V 单级负载点变换器拓扑：(a) 基本实现方案。

图 3 不同矩阵变压器结构及其相关性能：(a) 每个磁柱单匝原边绕组串联，(b) 每个磁柱两匝原边绕组并联，(c) 每个磁柱两匝原边绕组串联，(d) 三种备选设计的绕组损耗。

图 4 过孔布局方案探究：(a) 过孔位于变压器磁柱附近，(b) 过孔沿变压器磁柱轮廓布置，(c) 过孔远离变压器磁柱布置。

图 5 过孔中的电流分布：(a) 过孔位于变压器磁柱附近，(b) 过孔沿变压器磁柱轮廓布置，(c) 过孔远离变压器磁柱布置。

DOI：

10.1109/ECCE58356.2025.11260118