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英飛凌的CoolSiC和CoolGaN產品非常適用于應對數據中心機架和電源供應單元（PSU）電力需求增長所需的新架構和AC-DC配電配置。 作者：Sam Abdel-Rahman 英飛凌科技電源與傳感系統事業部 高級首席系統架構師 前言 人工智能（AI）的迅猛發展推動了數據中心處理能力的顯著增長。如圖1所示，英飛凌預測單臺GPU的功耗將呈指數級上升，預計到2030年將達到約2000 W [1]，而AI服務器機架的峰值功耗將突破驚人的300 kW。這一趨勢促使數據中心機架的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1：基于x86和Arm®架構的服務器CPU與GPU和TPU的電力需求對比 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，可容納多臺PSU；每臺PSU由單相輸入供電。機架將直流電壓（例如，50 V）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2 ：AI服務器PSU的功率演變（左）；服務器機架架構示例（右） AI服務器機架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，~5.5-8 kW、50 Vout、277 Vac、單相 當前的AI服務器PSU大多遵循ORv3-HPR標準[9]。相較于先前的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服務器需求相關的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后詳述）。此外，由于與BBU架的通信方式有所調整，輸出電壓的調節范圍變得更窄。 盡管每個電源架都通過三相輸入（400-480 Vac L-L）供電（見圖2），但每臺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級可以采用兩個交錯的圖騰柱拓撲結構，其中，650 V CoolSiC MOSFET用于快臂開關，600 V CoolMOS SJ MOSFET用于慢臂開關。DC-DC級可以選用650 V CoolGaN晶體管的全橋LLC，次級全橋整流器和ORing則使用80 V 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，在線路周期掉電事件期間，通過儲能電容器放電，以調節LLC輸入電壓。在正常運行期間，升壓轉換器保持空閑狀態，并通過低阻抗的600 V 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，~8-12 kW、50 Vout、277–347 Vac、單相 如上所述，隨著機架功率增加到300 kW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8 kW至12 kW的輸出功率。隨著每個機架的功率增加，數據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，部分數據中心可能會將機架的交流配電電壓從400/480 V提高到600 Vac L–L（三相），同時將PSU的輸入電壓從230/277 Vac提高到 347 Vac（單相）。 雖然這一變化有利于數據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347 Vac的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設定在575 Vdc左右，這意味著傳統的650 V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400 V 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，支持更高的輸入電壓。憑借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400 V的較低擊穿電壓進行了優化，與650 V 和 750 V 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范圍內的曲線，其中，400 V CoolSiC MOSFET的RDS(on) 100°C僅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)與Tj之間的這一平緩關系有助于CoolSiC MOSFET實現更高的RDS(on) typ，從而降低成本并提升開關性能。
圖4：第二代AI PSU的拓撲結構和器件技術示例
圖5：400 V CoolSiC與650 V和750 V CoolSiC對比，具有更優的開關 FoM和穩定的RDS(on)與結溫的關系：品質因數（左），RDS(on)與Tj（右） 對于DC-DC級來說，三相LLC拓撲結構是一種理想選擇，其中，750 V CoolSiC MOSFET用于初級側開關，80 V OptiMOS 5 Power MOSFET用于次級全橋整流器和ORing。由于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，并通過三個開關半橋之間的固有耦合實現自動電流分配。 第三代AI PSU：三相架構與400 V配電，最高功率約為22 kW，400 Vout，480-600 Vac，三相 為了進一步提高機架功率，第三代AI PSU將采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，并降低成本 電源架PSU輸出電壓：從50 V提升到400 V，以降低母線電流、損耗和成本 圖6展示了一個三相輸入、400 V輸出的PSU部署示例，以及推薦的器件和技術。PFC級采用Vienna整流器，這是一種常用于三相PFC應用的拓撲結構。其主要優勢在于采用分離式總線電壓設計，因此可以使用650 V器件：通過使用雙倍數量的背靠背650 V CoolSiC MOSFET和 1200 V CoolSiC二極管實現。PFC輸出配置為分離式電容器，每個電容器電壓為430 V，并為全橋LLC轉換器供電，該轉換器在初級和次級側均使用650 V CoolGaN晶體管。兩個LLC級在初級側串聯，次級側并聯，以向400 V母線供電。 此外，也可以將兩個背靠背的650 V CoolSiC MOSFET替換為650 V CoolGaN 雙向開關（BDS），后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RDS(on)，這是因為它在RDS(on)/mm2方面具備更高的芯片尺寸利用率。
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，并產生高負載瞬變（見圖7）。因此，DC-DC級的輸出必須具有足夠的動態響應能力，同時需確保電壓的過沖和下沖保持在規定的范圍內。通過提升開關頻率，并增加控制環路帶寬，可以提高DC-DC級的輸出動態響應能力。
圖7：AI GPU所需的AI PSU峰值功率 400 V CoolSiC MOSFET可在3-L飛電容圖騰柱PFC中實現最高效率 使用 CoolSiC MOSFET 400 V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 650 V和750 V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RDS(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 為了滿足數據中心對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3-5.5 kW，提升到8-12 kW（單相）和高達22 kW（三相）。這種需求給數據中心運營商帶來了新的挑戰，即如何優化數據中心的空間和電力的效率和利用率。應對這些挑戰需要采用新的機架架構和AC-DC配電配置，使得基于CoolSiC和CoolGaN的設計處于PSU設計的前沿，致力于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中采用400 V CoolSiC MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650 V CoolGaN BDS（詳見前文）。 總而言之，英飛凌的功率器件技術組合（硅、碳化硅和氮化鎵）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持。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，并在效率、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。 點擊或掃描二維碼，即可了解有關英飛凌硅基、碳化硅基和氮化鎵基產品的更多信息。 https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/ 參考文獻 [1] Infineon Technologies AG: We power AI, Online Media Briefing; https://www.infineon.com/dgdl/On ... 5350190112f55a20002 [2] Infineon Technologies AG: Wide Bandgap Semiconductors (SiC/GaN); https://www.infineon.com/cms/en/ ... conductors-sic-gan/ [3] Infineon Technologies AG: GaN transistors (GaN HEMTs); https://www.infineon.com/gan [4] Infineon Technologies AG: Silicon Carbide MOSFET Discretes; https://www.infineon.com/cms/en/ ... -carbide/discretes/ [5] Infineon Technologies AG: Server and data center 3 kW 50 V PSU – Engineering report; https://www.infineon.com/dgdl/In ... ffd0178f986be9e08a7 [6] Infineon Technologies AG: 3300 W CCM bidirectional totem pole with 650 V CoolSiC and XMC– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/In ... e0b016fc2ae66e20040 Infineon Technologies AG: 3.3 kW high-frequency and high-density PSU for server and datacenter applications; https://www.infineon.com/dgdl/In ... b3a0190779314d375eb [7] Infineon Technologies AG: CoolSiC totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/In ... 34701865a064ec24076 [8] Infineon Technologies AG: CoolGaN totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/In ... 047016d95daec4a769a [9] Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard; https://www.opencompute.org/wiki/Open_Rack/SpecsAndDesigns [10] Infineon Technologies AG: Infineon pioneers world's first 300 mm power gallium nitride (GaN) technology – an industry game-changer; https://www.infineon.com/cms/en/ ... NFXX202409-142.html [11] Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions; https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/ |
