前言 人工智慧（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服務器機架的峰值功耗將突破驚人的300kW。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。 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，~5.5-8kW、50Vout、277Vac、單相 當前的AI服務器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，升壓轉換器保持空閒狀態，並通過低阻抗的600V CoolMOS™ SJ MOSFET旁路。 ▴ 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，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400/480V提高到600Vac L–L（三相），同時將PSU的輸入電壓從230/277Vac 提高到347Vac（單相）。
雖然這一變化有利於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347Vac的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設定在575Vdc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，支持更高的輸入電壓。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RDS(on) 100°C僅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)與Tj之間的這一平緩關係有助於CoolSiC™ MOSFET實現更高的RDS(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。 ▴ 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：
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，這是一種常用於三相PFC應用的拓撲結構。其主要優勢在於採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RDS(on)，這是因為它在RDS(on)/mm2方面具備更高的晶片尺寸利用率。
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響應能力，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，並增加控制環路帶寬，可以提高DC-DC級的輸出動態響應能力。  ▴ 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）。
結論 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3-5.5kW，提升到8-12kW（單相）和高達22kW（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，為當前和下一代平台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，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。
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，負責開發服務器/數據中心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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