技術(shù)洞察 | 英飛凌CoolSiC?和CoolGaN?產(chǎn)品，升級電源和機架架構(gòu)，滿足AI服務器的需求

前言

人工智能（AI）的迅猛發(fā)展推動了數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)中心機架的AC和DC配電系統(tǒng)進行架構(gòu)升級，重在減少從電網(wǎng)到核心設(shè)備的電力轉(zhuǎn)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(gòu)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，50V）輸出到母線，母線則連接到IT和電池架。

AI的發(fā)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(jié)構(gòu)和器件技術(shù)建議示例，來逐步介紹這些PSU的演變。

圖1 基于x86和Arm ? 架構(gòu)的服務器CPU

與GPU和TPU的電力需求對比

圖2 AI服務器PSU的功率演變（左）；服務器機架架構(gòu)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(gòu)下提升功率，~5.5-8kW、50V out 、277V ac 、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(guān)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(diào)整，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍變得更窄。

盡管每個電源架都通過三相輸入（400-480 V ac L-L）供電（見圖2），但每臺PSU的輸入仍為單相（230-277 V ac ）。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(jié)構(gòu)，其中，650V CoolSiC? MOSFET用于快臂開關(guān)，600V CoolMOS? SJ MOSFET用于慢臂開關(guān)。DC-DC級可以選用650V CoolGaN?晶體管的全橋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(zhuǎn)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(diào)節(jié)LLC輸入電壓。在正常運行期間，升壓轉(zhuǎn)換器保持空閑狀態(tài)，并通過低阻抗的600V CoolMOS? SJ MOSFET旁路。

圖3：第一代AI PSU的拓撲結(jié)構(gòu)及器件技術(shù)示例

? 第二代AI PSU：增加線路電壓，以實現(xiàn)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(guān)重要。 因此，下一代PSU的設(shè)計方向是，在單相架構(gòu)中實現(xiàn)8kW至12kW的輸出功率。 隨著每個機架的功率增加，數(shù)據(jù)中心中的機架數(shù)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(shù)據(jù)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）。

雖然這一變化有利于數(shù)據(jù)中心的運行效率和資源利用，但會影響PSU的額定電壓和設(shè)計。在347V ac 的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設(shè)定在575V dc 左右，這意味著傳統(tǒng)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(zhuǎn)換概念使得在使用較低額定電壓的開關(guān)器件的同時，支持更高的輸入電壓。憑借多電平拓撲結(jié)構(gòu)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(shù)針對400V的較低擊穿電壓進行了優(yōu)化，與650V 和750V CoolSiC?參考器件相比，其FoM更為優(yōu)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(nèi)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(guān)系有助于CoolSiC? MOSFET實現(xiàn)更高的R DS(on) typ ，從而降低成本并提升開關(guān)性能。

對于DC-DC級來說，三相LLC拓撲結(jié)構(gòu)是一種理想選擇，其中，750V CoolSiC? MOSFET用于初級側(cè)開關(guān)，80V 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(guān)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(guān)半橋之間的固有耦合實現(xiàn)自動電流分配。

圖4 第二代AI PSU的拓撲結(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

圖5 400V CoolSiC?與650V和750V CoolSiC?對比，具有更優(yōu)的開關(guān)FoM和穩(wěn)定的R DS(on) 與結(jié)溫的關(guān)系：品質(zhì)因數(shù)（左），R DS(on) 與T j （右）

? 第三代AI PSU：三相架構(gòu)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將采用更具顛覆性的機架架構(gòu)，具體如下：

• PSU輸入： 從單相轉(zhuǎn)為三相，以提高功率密度，并降低成本

• 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(shù)。PFC級采用Vienna整流器，這是一種常用于三相PFC應用的拓撲結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢在于采用分離式總線電壓設(shè)計，因此可以使用650 V器件：通過使用雙倍數(shù)量的背靠背650V CoolSiC? MOSFET和1200V CoolSiC?二極管實現(xiàn)。PFC輸出配置為分離式電容器，每個電容器電壓為430V，并為全橋LLC轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在初級和次級側(cè)均使用650V CoolGaN?晶體管。兩個LLC級在初級側(cè)串聯(lián)，次級側(cè)并聯(lián)，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(guān)（BDS），后者是真正的常關(guān)型單片雙向開關(guān)。這意味著一個CoolGaN? BDS即可取代4個分立式電源開關(guān)，以實現(xiàn)相同的RDS(on)，這是因為它在R DS(on) /mm 2 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(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

WBG為 AI PSU帶來的優(yōu)勢

? CoolGaN?助力實現(xiàn)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(guān)頻率下，實現(xiàn)最佳效率，使轉(zhuǎn)換器在不影響轉(zhuǎn)換效率的前提下，實現(xiàn)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(chǎn)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(tài)響應能力，同時需確保電壓的過沖和下沖保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過提升開關(guān)頻率，并增加控制環(huán)路帶寬，可以提高DC-DC級的輸出動態(tài)響應能力。

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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)更高的交流輸入電壓（見第2.2節(jié)），且相較CoolSiC? 650V和750V參考器件，其品質(zhì)因數(shù)（FoM）更佳，因此還能提供顯著的功率密度和效率優(yōu)勢。經(jīng)過優(yōu)化的電感器設(shè)計（包括尺寸、材料和繞組）和3L拓撲結(jié)構(gòu)中的R DS(on) 選擇，結(jié)合更低的開關(guān)損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)論

了滿足數(shù)據(jù)中心對AI應用的需求，新一輪技術(shù)角逐已經(jīng)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(jīng)從3-5.5kW，提升到8-12kW（單相）和高達22kW（三相）。這種需求給數(shù)據(jù)中心運營商帶來了新的挑戰(zhàn)，即如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的空間和電力的效率和利用率。 應對這些挑戰(zhàn)需要采用新的機架架構(gòu)和AC-DC配電配置，使得基于CoolSiC?和CoolGaN?的設(shè)計處于PSU設(shè)計的前沿，致力于實現(xiàn)最佳效率和功率密度。

此外，新的寬禁帶器件在新型拓撲結(jié)構(gòu)中也展現(xiàn)了極佳的性價比，例如，在三電平飛跨電容圖騰柱PFC中采用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(shù)組合（硅、碳化硅和氮化鎵）和經(jīng)過優(yōu)化的柵極驅(qū)動IC產(chǎn)品組合，通過混合應用，為當前和下一代平臺及趨勢的發(fā)展提供了支持。這些組合充分利用了三種技術(shù)的優(yōu)勢，使PSU設(shè)計實現(xiàn)了最佳靈活性，并在效率、功率密度和系統(tǒng)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(shù)，進一步推動了文章 [10] 中所述的未來設(shè)計發(fā)展。

關(guān)于作者

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余，現(xiàn)任高級首席系統(tǒng)架構(gòu)師，負責開發(fā)服務器/數(shù)據(jù)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(yè)擁有豐富的經(jīng)驗，專注于系統(tǒng)架構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)。