中國(guó)冶金報(bào)社
記者 趙萍 攝影報(bào)道
圖為會(huì)場(chǎng)
近日，全球科技巨頭英偉達(dá)公布其下一代AI（人工智能）數(shù)據(jù)中心將在2027年普遍采用800V高壓直流技術(shù)，直接顛覆傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)，更引爆了業(yè)界對(duì)其核心組件——固態(tài)變壓器的關(guān)注度。
10月24日，聚焦固態(tài)變壓器發(fā)展給納米晶合金產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，國(guó)內(nèi)外科研單位、龍頭企業(yè)等的代表齊聚廣東深圳，在首屆固態(tài)變壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)研討會(huì)（秋季）上展開(kāi)了一場(chǎng)精彩絕倫的前沿技術(shù)分享與對(duì)話(huà)。
隨著AI的迅猛發(fā)展，算力需求急劇增加，使得數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功率密度從千瓦級(jí)向兆瓦級(jí)躍升，服務(wù)器整機(jī)功率快速提升成為確定性趨勢(shì)，持續(xù)推動(dòng)數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)升級(jí)。
而支撐數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)升級(jí)的關(guān)鍵——固態(tài)變壓器系統(tǒng)全鏈路效率可達(dá)98.5%以上，且相較傳統(tǒng)UPS（不間斷電源）方案節(jié)能超3個(gè)百分點(diǎn)，在百兆瓦級(jí)數(shù)據(jù)中心中年節(jié)電量可達(dá)千萬(wàn)度級(jí)別，實(shí)現(xiàn)環(huán)保的同時(shí)提高效率。同時(shí)，固態(tài)變壓器采用高頻電力電子變換技術(shù)，體積較傳統(tǒng)工頻變壓器減少50%～90%，可顯著節(jié)省數(shù)據(jù)中心占地面積，適應(yīng)高密度機(jī)柜部署趨勢(shì)。此外，在1兆瓦的功率下，800伏高壓直流電較54伏低壓直流電可減少45%銅材使用，單機(jī)架節(jié)省約200公斤銅，可大幅降低材料成本與布線復(fù)雜度。
“納米晶合金在固態(tài)變壓器核心材料領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其高頻低損特性是突破下一代電力設(shè)備效率極限的關(guān)鍵。”與會(huì)專(zhuān)家介紹，固態(tài)變壓器核心組件需要在高頻工況下保持低損耗、高磁感的軟磁材料。納米晶合金憑借原子級(jí)無(wú)序結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出顛覆性的高頻性能，其電阻率可達(dá)硅鋼的3倍，顯著抑制渦流損耗。已公開(kāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，納米晶合金在100赫茲工況下的損耗較硅鋼降低80%，渦流損耗可通過(guò)控制磁芯厚度保持在合理范圍，且在高頻下仍能保持高效能量轉(zhuǎn)換，其截止頻率可延伸至1兆赫以上（鐵氧體在超過(guò)500千赫茲時(shí)性能顯著下降），可為固態(tài)變壓器高頻化掃清障礙。
然而，納米晶合金的?飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）與矯頑力（Hc）始終存在此消彼長(zhǎng)的矛盾，嚴(yán)重制約器件能效提升。可喜的是，國(guó)內(nèi)已有科研機(jī)構(gòu)打破該材料傳統(tǒng)成分缺陷無(wú)法調(diào)控的局限，開(kāi)創(chuàng)了以“序結(jié)構(gòu)”精準(zhǔn)控制材料性能的新范式。
與會(huì)專(zhuān)家介紹，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合法，在非晶基軟磁材料中引入類(lèi)晶體序、Fe4N、α-Fe(Co)序，構(gòu)建界面序、納米晶-非晶雙相等多尺度序調(diào)控策略，顯著改善了飽和磁感、矯頑力、磁導(dǎo)率、高頻損耗等軟磁性能，突破了磁強(qiáng)度與磁塑性之間的倒置關(guān)系。未來(lái)還可利用多場(chǎng)耦合調(diào)控多尺度結(jié)構(gòu)序，實(shí)現(xiàn)兼具優(yōu)異力、磁、化學(xué)等特性的新一代非晶材料的按需設(shè)計(jì)。
與此同時(shí)，與會(huì)專(zhuān)家分享了實(shí)際使用納米晶合金時(shí)遇到的難題。他們對(duì)納米晶合金磁芯進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，給兩副同一批次、相同規(guī)格的磁芯繞上線圈，并施加高頻電流。一段時(shí)間后拍攝熱成像圖，結(jié)果顯示即便是同一批次同一規(guī)格的磁芯，發(fā)熱（損耗）差異仍然很大。切縫區(qū)域因磁場(chǎng)集中導(dǎo)致渦流損耗增加，該位置溫度顯著升高，成為磁芯最熱區(qū)域，影響了整體熱穩(wěn)定性和可靠性。除了切縫處，磁路上還存在多處溫度偏高區(qū)域，損耗分布不均。生產(chǎn)企業(yè)亟需破解納米晶合金磁芯一致性難題。
此外，作為快淬金屬玻璃，納米晶合金自身具有的一些性能指標(biāo)并不能完全適應(yīng)固態(tài)變壓器的具體要求，如無(wú)法適配諧振電路需要低磁導(dǎo)率磁芯、在頻率低于16千赫茲時(shí)噪聲較大且對(duì)應(yīng)力敏感等。這也給科研機(jī)構(gòu)提供了新的攻關(guān)方向。
顯而易見(jiàn)，納米晶合金材料革命的種子已然萌芽。納米晶合金與固態(tài)變壓器的深度融合，不僅關(guān)乎電力設(shè)備的能效躍遷，更將重塑能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)。我們期待，納米晶合金以新一代高頻低損軟磁材料，加速固態(tài)變壓器產(chǎn)業(yè)升級(jí)步伐。
