以氮化鎵為代表的第三代半導體材料可使得器件適用于高頻高溫的應用場景。氮化鎵的特性成為超高頻器件的極佳選擇，主要應用在服務器電源、數據中心、5G基站等領域。

當前，高頻驅動下的第三代半導體電源芯片目前較為容易滿足，但電感器與電子變壓器在高頻化下損耗會更大，制約了第三代半導體材料的普及應用。

本期《對話》，圍繞“磁性元器件如何提高頻率與降低損耗，以跟上第三代半導體材料在服務器電源領域的發展步伐”，通過行業內權威教授、服務器電源廠商、磁性元器件廠商、磁芯廠商以及線材廠商的對話，探究使用氮化鎵材料后，對磁性材料提出了哪些要求、磁性材料廠商如何應對及未來第三代半導體材料發展趨勢和難點。圍繞上述問題進行探討，為深耕這一行業的從業者進一步了解服務器電源行業生態進行力所能及的點撥。

一、第三代半導體材料在服務器電源的應用現狀

二、使用氮化鎵材料后，服務器電源對電感變壓器提出的要求

三、使用氮化鎵材料后，服務器電源對磁芯提出的要求

四、使用氮化鎵材料后，服務器電源對線材提出的要求

五、第三代半導體材料發展前景及趨勢

對話內容：

一、第三代半導體材料在服務器電源的應用現狀

服務器電源功率從300W—3000W都有，目前服務器電源主流功率段大概是多少？未來功率有沒有可能往更高發展？

歐陸通張新芳：主流為800W—2000W，現在已在開發3200W，會往高功率發展，但需求量不會那么快。

長城科技王永安：目前電源有單獨使用也有并聯使用的。當前服務器電源主流功率段在600W—1000W左右，并聯使用后使功率加倍。未來功率可以往更高發展，單個電源功率做的更大之后，其單位功率的成本可以降低。

二、使用氮化鎵材料后，服務器電源對電感變壓器提出的要求

1、為順應第三代半導體材料發展需求，需要對電感變壓器重新設計，您認為對電感變壓器提出哪些設計要求？

福州大學陳為：采用第三代半導體器件后，主要是提高開關頻率，以降低磁元件體積，提高功率密度。但高頻下，體積有所減小，但磁元件損耗顯著增大，這就要求開發和采用適應高頻的磁芯以降低磁芯損耗，優化繞組涉及以降低繞組損耗，同時要關注磁性元件的散熱。此外，采用氮化鎵器件，除了開關頻率提高外，開關過程的上升沿也會變陡，增大了電磁干擾的頻譜頻率和幅值，這就對電磁干擾濾波器提出了更高的性能要求，需要關注更寬頻段的插入損耗特性，也就是要更加關注電磁干擾濾波電感器的雜散分布參數控制。

浙江工業大學車聲雷：到高頻階段，變壓器的形狀基本上朝著平面變壓器變化。也就是說變壓器腿部變短，背板變大，這樣使得變壓器暴露在外邊的部分面積增加，散熱變快。加上尺寸較短，整體來說損耗能降低一些。

歐陸通張新芳：電感，變壓器需要更扁平化，集成化設計，配套的電感變壓器在設計時就需要考慮更高的工作頻率范圍，如確保高頻、高溫工作狀態下的磁芯不致飽和，所用線圈材料能承受足夠的耐溫，電感變壓器的結構需確保既可滿足高溫、高功率密度的要求，又不致在高頻下出現分布參數的負面影響。

艾默生聶洪濤：這個得看具體情況。為了實現不同的功效，有些屏蔽效果好一點，有些繞線方便一些，有些體積更小，主要是看應用場景的選型，使用第三代半導體的話，頻率提高之后，磁性元器件上很多繞線繞到一起，各種寄生參數如趨膚效應明顯。

降低趨膚效應也會對EMC提出要求，主要體現在降低磁頻率這一塊，頻率變高以后趨膚參數影響會更大，EMC對于變壓器繞組間的集成電容控制有更高的要求。 ? 2、在服務器電源中，涉及的磁元件產品種類也比較多，使用氮化鎵材料后，具體對哪些磁元件產品會提出更高的要求？

福州大學陳為：服務器電源，一般指的是前端PFC和后面的DC/DC。目前主流電路拓撲是維也納PFC電路和LLC電路。采用氮化鎵器件的主要目的就是提高頻率，從而降低磁性元件的體積和重量，提高功率密度。而磁性元件在電源中的空間和重量占比都是比較大的，其中包括了PFC電路的電感器，LLC電路的變壓器和諧振電感器，以及電磁干擾濾波電感器。所以說，使用氮化鎵后，無論是電感器、變壓器，還是電磁干擾濾波器，都會提出更高的要求。

歐陸通張新芳：對于使用氮化鎵器件的服務器電源，為配合發揮氮化鎵材料的高頻、高溫工作特性，相對適配傳統的硅半導體材料而言，對變壓器和電感器的用料和設計都有更高的要求，要求電感、變壓器有更高的頻率飽和特性，更小的高頻分布參數等。

力王歐陽順昌：對磁芯和線材都提出了要求。磁芯選擇鐵氧體磁芯，線材選擇銅線或者多股絞合線都能達到降低趨膚效應，減小損耗的作用。

有些材質在高頻的時候，損耗會較小。粉芯材料在高頻下損耗就非常大，鐵氧體軟磁相對而言損耗就比較小。線材的話，根據工作頻率、電流密度和趨膚深度，應該選線徑比較小、扁平的薄細線比較好，如多股絞合線。使用細線還要考慮安全安規問題。

艾默生聶洪濤：使用氮化鎵的話，第一是對磁材提出高頻化要求，在高頻情況下，磁損要做的更低；第二是磁材功率也要做大；第三是線材，使用膜包線可以一定程度上降低趨膚效應。

三、使用氮化鎵材料后，服務器電源對磁芯提出的要求

1、隨著第三代半導體材料的逐步應用，對頻率要求更高，據我們了解理想頻率應達到300KHz以上。對磁芯來說，您認為頻率應達到多少才會滿足需求？對磁芯的選材有什么要求？

福州大學陳為：提高頻率，對磁性元件來說，是為了降低體積，但磁元件損耗也會上升，這就導致損耗密度增大，從而溫升增大，這就是高頻化下的瓶頸制約，也就是磁元件設計的關鍵所在。多大頻率合適，主要取決于磁芯的損耗特性，一般可以用磁芯的性能因子，也就是一定損耗密度下的工作頻率f和磁通密度B的乘積，磁芯性能因子可以從磁芯廠家手冊中獲得，也可以測量獲得。從設計理論上看，在根據磁件的設計體積和散熱條件確定合適的損耗密度的情況下，可以選擇對應最大磁芯性能因子所對應的頻率。當然，選擇頻率，也要考慮開關器件的損耗限制。 浙江工業大學車聲雷：我們認為500KHz以上算高頻了，目前主流的頻率在200KHz—1MHz之間，比較成熟的是在800KHz以下，1MHz以上的應用較少。從材料開發角度來講，2MHz和3MHz的磁性材料性能是最好的。 我覺得現在的材料和電源方案都還未完全定型，比如TDK、日立、飛磁這三家的材料體系在3MHz以下雖已實現系列化，但我們做了相關的材料研究，在相同的工作條件下可以把損耗降低90%。在第三代半導體材料應用下，電源本身的工作方式（產品方案）有了很大的改變，特別是200KHz—1MHz頻率段，比如現在快充頭采用新的變頻方式，當負荷發生變化時，不是通過電流調節，而是改變工作頻率，加上使用第三代半導體材料的使用，可以從空載到滿負荷整個區間內獲得比較高的效率。

電源這種工作方式，對于傳統材料來講是比較苛刻的。傳統材料基本上都是定頻的，在某個頻率下把性能優化到較好的狀態，變頻會脫離它的最佳狀態。過去的定頻基本上在100KHz，現在要到200KHz這個范圍工作，所以開發材料的時候就要考慮工作頻率要高一點，同時還要能適應變頻的要求，在整個頻率范圍內不管哪個點上性能都要好才行。

對磁性材料來說，整個材料開發的思路完全改變了，原來材料再改進也沒有用。舉幾個比較明顯的例子，比如高頻狀態下，首先晶粒尺寸不能大，過去高導鐵氧體粒徑是十幾微米到二三十微米甚至更大，功率鐵氧體是15微米左右，金屬磁粉芯是五六十微米到200多微米。不管配方怎么配，不會有好的高頻性能。想要在高頻下達到較為理想的性能，鐵氧體晶粒尺寸不能超過5微米，磁粉芯要到10微米以下才可以。這么小的粒徑對磁性材料提出了全新的要求，需要從粉料配方、工藝條件都需要進行革新。

歐陸通張新芳：建議磁芯的最佳工作頻段在100KHz-1MHz；高溫的Bmax需要對應提升，磁芯選材方面要求選用具有高頻高Bs、高頻低損耗、寬溫低損耗等特性的材料，目前鐵氧體磁芯仍是優先。在一個電源中磁芯的用量視不同輸出功率、不同拓撲方式而異，無法一概而論。

長城科技王永安：氮化鎵的工作特性就是允許工作在高頻位，例如可以到1兆。頻率到1兆之后磁性材料是不能承受了，這個損耗非常大。因此對磁性材料提出高頻的要求。

對磁芯來說，滿足需求應該在500K或以上，不一定要到1兆。現在頻率跳躍幅度不要太大，要一步步往上升。磁性材料不能跳躍式，因為現在磁性材料實際使用狀態在150K—200K范圍內，超過這個范圍磁性材料就承受不了了。

當頻率提高的時候，傳導輻射問題會帶來很大的困難，需要解決EMC問題。所以需要相關企業聯動解決頻率提高帶來的問題。

高頻化之后，鐵氧體磁芯用的多一些，金屬粉芯就用的少，因為金屬粉芯的工作頻率上不去。一個電源里邊的電感器和電子變壓器都是用磁性材料做成的，這一部分占的價值比例為大致在8%、18%、20%。

艾默生聶洪濤：頻率的話主要看磁材，一般鐵氧體我們會選擇性能比較好的，沒有看頻率，會看它的損耗曲線，也就是單位損耗。一般我們會采用低損耗的磁材。具體選什么樣的磁材就要看應用場景了，如果功率幾百千瓦的話，基本上就是鐵氧體的范疇。像鐵硅鋁、鐵硅這些磁粉芯具有比較大的直流特性。逆變電感、pfc電感這些基本上都會用到鐵氧體軟磁。

2、采用第三代半導體器件后，開關頻率提高，對磁元件提出了更高的頻率要求。據我們了解理想頻率應達到300KHz以上，整機企業建議建議磁芯的最佳工作頻段在100KHz-1MHz。貴司目前頻率多少？通過什么方案提高頻率？

微碩譚福清：微碩目前中高頻的錳鋅功率鐵氧體材料PG352，應用頻率為100~500kHz；錳鋅高頻低損耗材料PG102應用頻率可達5MHz，典型應用頻率500kHz-3MHz，可以覆蓋整機企業的全部頻率需求范圍。

我們主要通過優化主配方、適當調整燒結溫度和氣氛、細化晶粒結構、增加晶界電阻、降低渦流損耗的方式來提高材料和磁芯的應用頻率。

尚朋楊仕機：我司目前已經量產從300KHz到3MHz的系列高頻材料，材料型號包括SSP-5；SSP-96F；SSP-51；SSP-53等。我們通過對材料的配方、制粉工藝的調整和改善燒結工藝等措施，降低材料在高頻場合下的損耗，從而使產品滿足高頻環境下的工作性能。不同的材料型號適配不同的頻率場合，這一系列高頻材料主要應用于高頻電源變壓器，功率電感器和光伏逆變器等。

萬寶趙軒：絕緣線對頻率沒有決定性影響，但是不同頻率的變壓器在絕緣線的選擇上會有一定的差異，差異主要在絕緣線絕緣材料的耐溫等級、絕緣線導體的耐電流值及耐壓值等。我司生產的絕緣線能滿足幾乎所有頻率段的需求。我司主要通過多元化的導體種類和導體結構設計，以及絕緣材料選型、絕緣層工藝多元化的開發來提高產品在高頻率上的實用性。

3、整機企業反應，為了降低高頻損耗，磁芯選材方面要求選用具有高頻高Bs、高頻低損耗、寬溫低損耗等特性的材料。貴司產品BS值多少？通過什么方式減小損耗？

微碩譚福清：微碩高頻低損耗材料PG102常溫Bs達550mT，高溫100℃ Bs達435mT，可以滿足絕大多數應用場合對Bs的要求。

降低高頻損耗的方式，根據應用場景可分為兩種情況：

（1）磁通密度50mT以下，磁芯的損耗主要來源于高頻渦流損耗，因此降低渦流損耗能有效降低磁芯的高頻損耗。降低渦流損耗的方法主要就是降低燒結溫度、添加高電阻率添加劑，降低燒結溫度同時配置高的氧含量，可抑制二價鐵離子的增長，獲得比較高的電阻率。微碩的PG102材料應用頻率0.5-3MHz，具有很低的高頻損耗，非常適合應用在磁通密度在50mT以下的低磁場場景。

（2）磁通密度50mT以上，這個時候單純的降低渦流損耗是沒有辦法獲得比較好的高頻低損耗特性的。在降低渦流損耗的同時還需要降低磁滯損耗。而磁滯損耗的產生主要是由磁疇壁不可逆位移產生的。在弱場的時候產生不可以壁移比較少，也比較容易控制，在強場的時候，要控制磁疇壁不可逆位移，就得通過比較特殊一些方式，關鍵點是通過降低磁芯內應力從而讓磁疇壁不可逆位移減少。微碩的FP53材料正是高頻大磁場專用材料，專門應用在大磁場的場合，應用頻率可達1-5MHz。

尚朋楊仕機：錳鋅鐵氧體軟磁材料損耗是由磁滯損耗，渦流損耗和剩余損耗三部分組成。在高頻工作環境下（400KHz以上），以渦流損耗和剩余損耗為主。降低渦流損耗和剩余損耗的方法一般是通過配方中添加易形成晶界高電阻層的改性添加劑及高效研磨和低燒結溫度獲得接近單疇的細小晶粒來達成減小損耗的目的。

四、使用氮化鎵材料后，服務器電源對線材提出的要求

1、應用第三代半導體材料后，產品頻率提高的同時損耗也更高，就降損耗而言，對線材提出了哪些要求？

福州大學陳為：線圈的損耗取決于線圈的結構設計和線規選擇。對于繞線式線圈，一般采用三明治結構，在此基礎上，根據工作頻率設計具有最低銅損的線規。在較高頻率下，多股絞線得到廣泛應用，這里就涉及到多股絞線的股徑和股數的最優化選擇，比一般的圓導線的設計更為復雜。從線材本身來說，多股絞線的工藝也需要提高，以盡量提高銅利用率。降低每股導線的絕緣層厚度，避免斷股，尤其對于較細股徑和較多股數的多股絞線。另外，為了高功率密度，往往繞組的溫升會比較高，這就要求提高線材的溫度等級。

浙江工業大學車聲雷：高頻的效果在于兩方面：一方面，首先是f乘b這個功率因素提高，在高頻下首先可以把電源做小；另一方面電源做小的同時，能效還要提高。在維持能效這一塊，幾乎所有的軟磁材料，都隨著使用頻率的升高，損耗急劇增加。剩余損耗基本上都是在500KHz以上才出現的。在高頻領域的話，剩余損耗這部分占的比例會越來越高，甚至到MHz這個階段，損耗會超過一半。

降損耗的話，從材料角度講，首先粒徑要減小，粒徑減小最明顯的在于頻率高了以后渦流損耗會增加。如果晶粒尺寸能壓縮到微米級的話，渦流損耗會降得很低。

渦流損耗跟頻率兩次方成正比的，所以渦流損耗先降下來，接下來剩余損耗也要降下來。剩余損耗原因很復雜，我們認為是跟磁疇共振關系比較大的。目標就是要盡量減少磁疇壁的數量，減少在磁化過程中磁壁的移動，這樣磁損耗就能降下來。總體思路就是降低晶粒尺寸，大致做到單疇。

目前國內鐵氧體的生產工藝能滿足壓縮晶粒的要求，但磁粉芯還有點困難。磁粉芯存在兩個方面的困難。第一個就是首先要能夠采購到大量的細粉。就生產工藝而言，粉體盡量要噴細，噴細之后要分級，將粉體按照大小分成不同的級別，產量也會降低。第二個是工序增加，加上設備投入成本，材料也要總適當調整，這樣總體生產成本就會增加很多。 長城科技王永安：盡量用多股線。原來主要用一根銅線，追求高頻之后就盡量用多股線，減小趨膚效應。也就是說，銅線粗了之后，電流不從銅線中間走，改為從表皮上走，所以為了加大表皮面積，就要用多股細線。 艾默生聶洪濤：高頻化后，趨膚效應會更嚴重。第一點就是對線材的要求就是線要做得越來越細。線要沿著磁芯繞，繞的過程線越細就越容易斷。因此第二點對線的耐彎曲特性也提出了要求。一般選擇銅線會比較多，多股絞合線和利茲線都能一定程度上減小趨膚效應。

2、線材的選擇和線圈結構的設計是降低損耗的重要手段，貴司通過什么方式減小趨膚效應，降低損耗？

大潤科技王金斗：減小趨膚效應，降低損耗與電子變壓器選擇的線材（三層絕緣線、多股絞線、絞線三層絕緣線、四層絕緣線、膜包線級膜包壓方線等）與磁芯、產品結構、工藝等多種因素有關系；其中與線材有關因素大概如下：

首先：與線材導體（銅）材質的純度有密切關系，材質純度越高，對減小趨膚效應，降低損耗就有明顯效果;

其次：與選擇線材有密切關系；（即有效表面積或截面積周長），表面積越大，材質純度越高，對減小趨膚效應，降低損耗就有明顯效果;同時必須有效控制產品體積、產品成本等方面，必須讓產品各性能（含趨膚效應）、成本、體積有效統一、有機結構、多方面有機平衡、形成一個完整機體（產品解決方案）

如：當產品體積與成本都有控制約定時：要選擇線材合適的規格，在一定范圍的趨膚效應內選擇什么樣的線材是可以控制的。如何選擇線材，取決于兩大要素：

第一個要素是產品是環繞還是立繞，當產品要求環繞時，只能使用絞線、膜包線來降低趨膚效應效果雙較低好；當產品要求立繞時，只能使用聚酰壓胺扁銅線來降低趨膚效應效果比較好；

第二個要素就是盡量增大其表面積（截面積周長），如當產品要求環繞時，線材截面積確定了（如：線徑1.0mm），明顯絞線比單線好，因為線長度與線徑都確定了，表面積越大，只能是截面積周長越長即可；發進一步分析，同為絞線，線徑*股數不同，他的截面積周長是不同得，是有很大差異的;當截面積的線徑在1.2或1.0的時候，導體既可以選0.05×350股，線徑/截面積達到1.2；也可以選0.1×100股，截面積達到1.2。這兩個效果對于降低趨膚效應效果是有很大差異的。0.05×350每條線周長之和比0.1×100每條線周長之和要長得多，所以選0.05×350股。這是一個比較科學、復雜的工程。所以，單線和股數是影響趨膚效應關鍵的參數。

當產品需要耐壓要求特別高時，三層絕緣線是6000V，無法滿足時；未來肯定是需要選擇如：FIW線或QPN線等，其采用了高分子納米聚合液態涂膜技術，可依要求，0.033mm,耐壓能達到100KV。從這個角度說，對線材的要求是一個非常嚴峻的考驗。此外，還有耐高壓化、耐酸雨腐蝕、耐老化等都是線材需要去克服的難點。 ? ? 萬寶趙軒：線圈設計目前為單層平行繞，雙層阿爾法繞，單層多圈串聯、雙層多圈串聯，多圈平行繞等等。多股絞線主要為0.03/0.05/0.06/0.07/0.08系列的絞線，股數從2股到幾千股不等，外徑目前可以做到10mm以上。在相同截面積情況下，漆包絞合線的有效導流面積增加；同時漆包絞合線將特殊薄膜導體集成到變壓器導體中，減少了導體內部產生的渦流損失，從而降低了總損耗。

五、第三代半導體材料發展前景及趨勢

您認為第三代半導體在服務器領域應用潛力如何？未來的發展趨勢是什么？

福州大學陳為：服務器電源對損耗和體積的要求很高，而第三代半導體的應用對此有明顯的優勢。隨著第三代半導體可靠性提高和成本不斷降低，在服務器領域的應用和產業化一定具有很大的潛力。 ? 浙江工業大學車聲雷：我認為前景是非常好的。第三代半導體在服務器電源、數據中心、5G基站還有快充領域的發展前景是很大的。目前第三代半導體領域首先最緊迫的就是往高頻化發展，這是收益最好、性價比最高的一個方向。因為目前電源發熱問題很嚴重，解決發熱問題是比較緊迫的。

目前，大部分廠家高頻變壓器都做成平面的，平面中間繞線的框架做的很薄，所以現在很多線圈做到PCB板里面去。，把線圈埋到里面會增加成本，因此一般采用印刷電路方式。就成本方面來說，有時候線材會做妥協。本身從損耗角度講，多股絞合線會好一點，但是工藝較有難度，因此線材廠商不一定去參與。

長城科技王永安：第三代半導體材料應用到服務器電源里面的潛力是很大的。服務器電源本身就是要追求提高功率密度，對第三代半導體材料的要求是最為突出的。氮化鎵在提高工作頻率中擔任著重要的任務。

隨著第三代半導體產品的用量提升，以后氮化鎵取代碳化硅的比例會越來越高。氮化鎵的工作狀態就是內阻小，內阻小就可以提高頻率，繼而提高電源的功率密度，這就是它最大的優點。 微碩譚福清：我認為第三代半導體碳化硅、氮化鎵在服務器領域潛力巨大，相信未來10年內大部分會替代原來硅半導體器件。 碳化硅和氮化鎵在服務器領域主要應用在電源供電系統中AC/DC以及高低壓的DC/DC轉換中，因為服務器大部分時候工作在輕載或者半載的狀態，效率損耗主要來源于功率開關管的開關損耗，而碳化硅、氮化鎵MOSFET具有開關損耗和導通損耗較低的優良特點，正是非常適合應用在服務器電源上。在輸入的AC/DC端的PFC中，碳化硅或者氮化鎵MOSFET取代原來的硅MOSFET具有立竿見影的效果，可明顯提高PFC的效率，區別在于碳化硅多用于比較高壓的情況，因此在AC/DC的PFC中取代原來硅MOSFET以及硅二極管或者在48V或者12V的高壓DC/DC是主要用途。而氮化鎵應用的更廣泛一些，既可以應用在AC/DC的PFC中取代原來硅MOSFET，也可以應用在高低壓DC/DC中，可以實現全氮化鎵方案，因為氮化鎵可以實現比碳化硅更高的開關頻率，效率更高一些，體積更小。

就成本而言，如果在PFC和高壓DC/DC中都采用氮化鎵作為開關器件，則AC/DC系統的體積可以大大縮小，保守估算，同樣的功率密度，體積可以縮小到原來的50%左右。體積縮小帶來的成本下降基本可以抵消開關器件的成本上升。

結語：

綜合業內專家與整機企業觀點看，第三代半導體在服務器電源、數據中心、5G基站等多個領域具有廣闊發展前景，也是最迫切需要解決高頻化問題的三個領域，尤其是從定頻向變頻的轉變，不管是對電感變壓器、鐵氧體、磁粉芯還是線材開發思路完全變了。 對電感變壓器來說，變壓器的形狀需要朝著平面變壓器發展，以更大的背板提升散熱效率，損耗降低。對磁性材料來說，第一要減小粒徑以降低渦流損耗，如將鐵氧體粒徑減小到5微米以下，磁粉芯10微米以下；第二要盡量減少磁疇壁的數量，減少在磁化過程中磁壁的移動，降低剩余損耗；第三磁芯選材方面要求選用具有高頻高Bs、高頻低損耗、寬溫低損耗等特性的材料；第四在較高頻率下，多股絞合線得到廣泛應用，多股絞合線的工藝需要提高，以盡量提高銅利用率，還要提高線材的溫度等級。

總之，目前磁性材料面臨著提高頻率以及由此帶來的損耗難題。我們期待，隨著技術的不斷更新迭代，磁性材料能夠跟上第三代半導體發展的步伐，行業迎來更廣闊的發展空間。 編輯：黃飛

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