技術洞察 | 英飛凌 CoolSiC™ 和 CoolGaN™ 產品，升級電源和機架架構，滿足 AI 伺服器的需求

來源: 英飛凌官方微信

本文作者：Sam Abdel-Rahman / 英飛凌電源與傳感系統事業部 / 高級首席系統架構師

前言

人工智慧（AI）的迅猛發展推動了資料中心處理能力的顯著增長。如圖 1 所示，英飛凌預測單台 GPU 的功耗將呈指數級上升，預計到 2030 年將達到約 2000W ^[1]，而 AI 伺服器機架的峰值功耗將突破驚人的 300kW。這一趨勢促使資料中心機架的 AC 和 DC 配電系統進行架構升級，重在減少從電網到核心設備的電力轉換和配送過程中的功率損耗。圖 2（右）展示了開放計算項目（OCP）機架供電架構的示例。每個電源架由三相輸入供電，可容納多台 PSU；每台 PSU 由單相輸入供電。機架將直流電壓（例如，50V）輸出到母線，母線則連接到 IT 和電池架。AI 的發展趨勢要求對 PSU 功率進行革新，如圖 2（左）所示。接下來，我們將通過各代 PSU 的拓撲結構和器件技術建議示例，來逐步介紹這些 PSU 的演變。

圖 1 基於 x86 和 Arm® 架構的伺服器 CPU 與 GPU 和 TPU 的電力需求對比

圖 2 AI 伺服器 PSU 的功率演變（左）；伺服器機架架構示例（右）。

AI 伺服器機架 PSU 的趨勢和功率演進

▴ 第一代 AI PSU：在相同的架構下提升功率，~5.5-8kW、50Vout、277Vac、單相

當前的 AI 伺服器 PSU 大多遵循 ORv3-HPR 標準^[9]。相較於先前的 ORv3 3 kW 標準^[9]，該標準的大部分要求（包括輸入和輸出電壓以及效率）保持不變，但增加了與 AI 伺服器需求相關的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍後詳述）。此外，由於與 BBU 架的通信方式有所調整，輸出電壓的調節範圍變得更窄。

儘管每個電源架都通過三相輸入（400-480 Vac L-L）供電（見圖 2），但每台 PSU 的輸入仍為單相（230-277 Vac）。圖 3 展示了符合 ORv3-HPR 標準的第一代 PSU 的部署示例：PFC 級可以採用兩個交錯的圖騰柱拓撲結構，其中，650V CoolSiC™ MOSFET 用於快臂開關，600V CoolMOS™ SJ MOSFET 用於慢臂開關。DC-DC 級可以選用 650V CoolGaN™ 電晶體的全橋 LLC，次級全橋整流器和 ORing 則使用 80V OptiMOS™ Power MOSFET。此外，示例還展示了一個中間級，也稱“延長保持時間”或“小型升壓”，其作用是減小大容量電容器的尺寸。該中間級由一個升壓轉換器組成，在線路週期掉電事件期間，通過儲能電容器放電，以調節 LLC 輸入電壓。在正常運行期間，升壓轉換器保持空閒狀態，並通過低阻抗的 600V CoolMOS™ SJ MOSFET 旁路。

圖 3：第一代 AI PSU 的拓撲結構及器件技術示例

▴ 第二代 AI PSU：增加線路電壓，以實現更高的功率，~8-12kW、50Vout、277–347Vac、單相

如上所述，隨著機架功率增加到 300kW 以上，電源架的功率密度變得至關重要。因此，下一代 PSU 的設計方向是，在單相架構中實現 8kW 至 12kW 的輸出功率。隨著每個機架的功率增加，資料中心中的機架數量在某些情況下，可能會受配電電流額定值和損耗的約束。因此，為了降低交流配電的電流和損耗，部分資料中心可能會將機架的交流配電電壓從 400/480V 提高到 600V_ac L–L（三相），同時將 PSU 的輸入電壓從 230/277V_ac 提高到 347V_ac（單相）。

雖然這一變化有利於資料中心的運行效率和資源利用，但會影響 PSU 的額定電壓和設計。在 347V_ac 的輸入電壓下，PFC 的輸出電壓必須設定在 575V_dc 左右，這意味著傳統的 650V 器件的額定電壓已無法滿足要求。圖 4 展示了一個示例：第一代 PSU 使用的兩電平圖騰柱 PFC 被替換為 400V CoolSiC™ MOSFET 的三電平飛電容圖騰柱 PFC（3-L FCTP PFC）級。多電平功率轉換概念使得在使用較低額定電壓的開關器件的同時，支援更高的輸入電壓。憑藉多電平拓撲結構的頻率倍增效應，3-L FCTP PFC 能夠帶來更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC™ 技術針對 400V 的較低擊穿電壓進行了優化，與 650V 和 750V CoolSiC™ 參考器件相比，其 FoM 更為優異（見圖 5（左））。此外，圖 5（右）顯示了導通電阻在整個溫度範圍內的曲線，其中，400V CoolSiC™ MOSFET 的 R_{DS(on) 100°C} 僅比 R_{DS(on) 25°C} 高 11%。R_DS(on) 與 T_j 之間的這一平緩關係有助於 CoolSiC™ MOSFET 實現更高的 R_{DS(on) typ}，從而降低成本並提升開關性能。

對於 DC-DC 級來說，三相 LLC 拓撲結構是一種理想選擇，其中，750V CoolSiC™ MOSFET 用於初級側開關，80V OptiMOS™ 5 Power MOSFET 用於次級全橋整流器和 ORing。由於增加了第三個半橋開關臂，該解決方案能夠提供更高的功率，有效降低輸出電流的紋波，並通過三個開關半橋之間的固有耦合實現自動電流分配。

圖 4 第二代 AI PSU 的拓撲結構和器件技術示例

圖 5 400V CoolSiC™ 與 650V 和 750V CoolSiC™ 對比，具有更優的開關 FoM 和穩定的 R_DS(on) 與結溫的關係：品質因數（左），R_DS(on) 與 T_j（右）

▴ 第三代 AI PSU：三相架構與 400V 配電，最高功率約為 22kW，400Vout，480-600Vac，三相

為了進一步提高機架功率，第三代 AI PSU 將採用更具顛覆性的機架架構，具體如下：

• PSU輸入：從單相轉為三相，以提高功率密度，並降低成本
• 電源架 PSU 輸出電壓：從 50V 提升到 400V，以降低母線電流、損耗和成本

圖 6 展示了一個三相輸入、400V 輸出的 PSU 部署示例，以及推薦的器件和技術。PFC 級採用 Vienna 整流器，這是一種常用于三相 PFC 應用的拓撲結構。其主要優勢在於採用分離式匯流排電壓設計，因此可以使用 650 V 器件：通過使用雙倍數量的背靠背 650V CoolSiC™ MOSFET 和 1200V CoolSiC™ 二極體實現。PFC 輸出配置為分離式電容器，每個電容器電壓為 430V，並為全橋 LLC 轉換器供電，該轉換器在初級和次級側均使用 650V CoolGaN™ 電晶體。兩個 LLC 級在初級側串聯，次級側並聯，以向 400V 母線供電。

此外，也可以將兩個背靠背的 650V CoolSiC™ MOSFET 替換為 650V CoolGaN™ 雙向開關（BDS），後者是真正的常關型單片雙向開關。這意味著一個 CoolGaN™ BDS 即可取代 4 個分立式電源開關，以實現相同的 R_DS(on)，這是因為它在 R_DS(on)/mm² 方面具備更高的晶片尺寸利用率。

圖 6 第三代 AI PSU 的拓撲結構和器件技術示例

WBG 為 AI PSU 帶來的優勢

▴ CoolGaN™ 助力實現高峰值功率瞬變

寬禁帶（WBG）半導體（例如，CoolGaN™ ^[2]）能夠在更高的開關頻率下，實現最佳效率，使轉換器在不影響轉換效率的前提下，實現更高的功率密度，因此，成為 AI PSU 的理想選擇。

除了 AI PSU 的額定功率顯著增加外，GPU 在運行時還會拉動更高的峰值功率，並產生高負載瞬變（見圖 7）。因此，DC-DC 級的輸出必須具有足夠的動態回應能力，同時需確保電壓的過沖和下沖保持在規定的範圍內。通過提升開關頻率，並增加控制環路頻寬，可以提高 DC-DC 級的輸出動態回應能力。

圖 7 AI GPU 所需的 AI PSU 峰值功率

▴ 400V CoolSiC™ MOSFET 可在 3-L 飛電容圖騰柱 PFC 中實現最高效率

使用 CoolSiC™ MOSFET 400V 的三電平級飛跨電容圖騰柱 PFC（3-L FCTP PFC）不僅能夠實現更高的交流輸入電壓（見第 2.2 節），且相較 CoolSiC™ 650V 和 750V 參考器件，其品質因數（FoM）更佳，因此還能提供顯著的功率密度和效率優勢。經過優化的電感器設計（包括尺寸、材料和繞組）和 3L 拓撲結構中的 R_DS(on) 選擇，結合更低的開關損耗，能夠實現平緩的效率曲線：峰值效率超過 99.3%，滿載效率超過 99.15%（見圖 8）。

圖 8 效率對比：3-L FCTP PFC 與 2-L TP PFC

結論

了滿足資料中心對 AI 應用的需求，新一輪技術角逐已經啟動，推動了機架和 PSU 的電力需求大幅增長。其中，AI PSU 的功率需求已經從 3-5.5kW，提升到 8-12kW（單相）和高達 22kW（三相）。這種需求給資料中心運營商帶來了新的挑戰，即如何優化資料中心的空間和電力的效率和利用率。應對這些挑戰需要採用新的機架架構和 AC-DC 配電配置，使得基於 CoolSiC™ 和 CoolGaN™ 的設計處於 PSU 設計的前沿，致力於實現最佳效率和功率密度。

此外，新的寬禁帶器件在新型拓撲結構中也展現了極佳的性價比，例如，在三電平飛跨電容圖騰柱 PFC 中採用 400V CoolSiC™ MOSFET，或在三相 Vienna PFC 中使用 650V CoolGaN™ BDS（詳見前文）。

總而言之，英飛凌的功率器件技術組合（矽、碳化矽和氮化鎵）和經過優化的柵極驅動 IC 產品組合，通過混合應用，為當前和下一代平臺及趨勢的發展提供了支援。這些組合充分利用了三種技術的優勢，使 PSU 設計實現了最佳靈活性，並在效率、功率密度和系統成本之間達成平衡。此外，英飛凌還率先推出了全球首項 300 毫米氮化鎵功率半導體等先進技術，進一步推動了文章^[10]中所述的未來設計發展。

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關於作者

Sam Abdel-Rahman 擁有中佛羅里達大學電氣工程博士學位，效力英飛凌已十三年有餘，現任高級首席系統架構師，負責開發伺服器/資料中心 SMPS 和可再生能源應用的應用路線圖。Sam 在功率半導體行業擁有豐富的經驗，專注於系統架構、拓撲結構和控制技術。

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