英飞凌的CoolSiCTM和CoolGaNTM居品绝顶适用于应酬数据中心理架和电源供应单位（PSU）电力需求增长所需的新架构和AC-DC配电确立。

作家：Sam Abdel-Rahman 英飞凌科技电源与传感系统行状部 高档首席系统架构师

绪论

东谈主工智能（AI）的迅猛发展鞭策了数据中心处明智商的显赫增长。如图1所示，英飞凌预测单台GPU的功耗将呈指数级飞腾，瞻望到2030年将达到约2000 W [1]，而AI劳动器机架的峰值功耗将冲破惊东谈主的300 kW。这一趋势促使数据中心理架的AC和DC配电系统进行架构升级，重在减少从电网到中枢确立的电力转念和配送历程中的功率损耗。

图2（右）展示了怒放运筹帷幄形貌（OCP）机架供电架构的示例。每个电源架由三相输入供电，可容纳多台PSU；每台PSU由单相输入供电。机架将直流电压（举例，50 V）输出到母线，母线则相接到IT和电板架。

AI的发展趋势条款对PSU功率进行改良，如图2（左）所示。接下来，咱们将通过各代PSU的拓扑结构和器件本事提倡示例，来逐渐先容这些PSU的演变。

AI劳动器机架PSU的趋势和功率演进

第一代AI PSU：在疏通的架构下擢升功率，~5.5-8 kW、50 Vout、277 Vac、单相

现时的AI劳动器PSU大多罢黜ORv3-HPR门径[9]。相较于先前的ORv3 3 kW门径[9]，该门径的大部分条款（包括输入和输出电压以及成果）保捏不变，但增多了与AI劳动器需求相关的更新，举例，更高的功率和峰值功率条款（稍后胪陈）。此外，由于与BBU架的通讯神情有所救援，输出电压的鼎新界限变得更窄。

尽管每个电源架齐通过三相输入（400-480 Vac L-L）供电（见图2），但每台PSU的输入仍为单相（230-277 Vac）。图3展示了合适ORv3-HPR门径的第一代PSU的部署示例：PFC级不错接管两个交错的图腾柱拓扑结构，其中，650 V CoolSiCTMMOSFET用于快臂开关，600 V CoolMOSTMSJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级不错选用650 V CoolGaNTM晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器和ORing则使用80 V OptiMOSTMPower MOSFET。此外，示例还展示了一个中间级，也称“延迟保捏时辰”或“袖珍升压”，其作用是减小大容量电容器的尺寸。该中间级由一个升压转念器构成，在知晓周期掉电事件时期，通过储能电容器放电，以鼎新LLC输入电压。在闲居初始时期，升压转念器保捏优游现象，并通过低阻抗的600 V CoolMOSTMSJ MOSFET旁路。

第二代AI PSU：增多知晓电压，以完了更高的功率，~8-12 kW、50 Vout、277–347 Vac、单相

如上所述，跟着机架功率增多到300 kW以上，电源架的功率密度变得至关遑急。因此，下一代PSU的筹划主张是，在单相架构中完了8 kW至12 kW的输出功率。跟着每个机架的功率增多，数据中心中的机架数目在某些情况下，可能会受配电电流额定值和损耗的不休。因此，为了裁减交发配电的电流和损耗，部分数据中心可能会将机架的交发配电电压从400/480 V提高到600 VacL–L（三相），同期将PSU的输入电压从230/277 Vac提高到347 Vac（单相）。

天然这一变化成心于数据中心的初始成果和资源期骗，但会影响PSU的额定电压和筹划。在347 Vac的输入电压下，PFC的输出电压必须设定在575 Vdc左右，这意味着传统的650 V器件的额定电压已无法感奋条款。图4展示了一个示例：第一代PSU使用的两电平图腾柱PFC被替换为400 V CoolSiCTMMOSFET 的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转念主张使得在使用较低额定电压的开关器件的同期，撑捏更高的输入电压。凭借多电平拓扑结构的频率倍增效应，3-L FCTP PFC大略带来更高的成果和功率密度。最遑急的是，CoolSiCTM本事针对400 V的较低击穿电压进行了优化，与650 V 和750 V CoolSiCTM参考器件比较，其FoM更为优异（见图5（左））。此外，图5（右）涌现了导通电阻在所有温度界限内的弧线，其中，400 V CoolSiCTMMOSFET的RDS(on) 100°C仅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)与Tj之间的这一冒失关系有助于CoolSiCTMMOSFET完了更高的RDS(on) typ，从而裁减老本并擢升开关性能。

图5：400 V CoolSiCTM与650 V和750 V CoolSiCTM对比，具有更优的开关FoM和领悟的RDS(on)与结温的关系：品性因数（左），RDS(on)与Tj（右）

关于DC-DC级来说，三相LLC拓扑结构是一种理思选用，其中，750 V CoolSiCTMMOSFET用于低级侧开关，80 V OptiMOSTM5 Power MOSFET用于次级全桥整流器和ORing。由于增多了第三个半桥开关臂，该贬责决议大略提供更高的功率，灵验裁减输出电流的纹波，并通过三个开关半桥之间的固有耦合完了自动电流分拨。

第三代AI PSU：三相架构与400 V配电，最高功率约为22 kW，400 Vout，480-600 Vac，三相

为了进一步提高机架功率，第三代AI PSU将接管更具颠覆性的机架架构，具体如下：

●PSU输入：从单相转为三相，以提高功率密度，并裁减老本

●电源架PSU输出电压：从50 V擢升到400 V，以裁减母线电流、损耗和老本

图6展示了一个三相输入、400 V输出的PSU部署示例，以及推选的器件和本事

PFC级接管Vienna整流器，这是一种常用于三相PFC应用的拓扑结构。其主要上风在于接管分手式总线电压筹划，因此不错使用650 V器件：通过使用双倍数目的背靠背650 V CoolSiCTMMOSFET和 1200 V CoolSiCTM二极管完了。PFC输出确立为分手式电容器，每个电容器电压为430 V，并为全桥LLC转念器供电，该转念器在低级和次级侧均使用650 V CoolGaNTM晶体管。两个LLC级在低级侧串联，次级侧并联，以向400 V母线供电。

此外，也不错将两个背靠背的650 V CoolSiCTMMOSFET替换为650 V CoolGaNTM双向开关（BDS），后者是信得过的常关型单片双向开关。这意味着一个CoolGaNTMBDS即可取代4个分立式电源开关，以完了疏通的RDS(on)，这是因为它在RDS(on)/mm2方面具备更高的芯片尺寸期骗率。

WBG为 AI PSU带来的上风

CoolGaNTM助力完了岑岭值功率瞬变

宽禁带（WBG）半导体（举例，CoolGaNTM[2]）大略在更高的开关频率下，完了最好成果，使转念器在不影响转念成果的前提下，完了更高的功率密度，因此，成为AI PSU的理思选用。

除了AI PSU的额定功率显赫增多外，GPU在初始时还会拉动更高的峰值功率，并产生高负载瞬变（见图7）。因此，DC-DC级的输出必须具有鼓胀的动态反馈智商，同期需确保电压的过冲和下冲保捏在礼貌的界限内。通过擢升开关频率，并增多适度环路带宽，不错提高DC-DC级的输迁徙态反馈智商。

400 V CoolSiCTMMOSFET可在3-L飞电容图腾柱PFC中完了最高成果

使用CoolSiCTMMOSFET 400 V的三电平级飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）不仅大略完了更高的交流输入电压（见第2.2节），且相较CoolSiCTM650 V和750 V参考器件，其品性因数（FoM）更佳，因此还能提供显赫的功率密度和成果上风。经过优化的电感器筹划（包括尺寸、材料和绕组）和3L拓扑结构中的RDS(on)选用，集结更低的开关损耗，大略完了冒失的成果弧线：峰值成果跳动99.3%，满载成果跳动99.15%（见图8）。

论断

为了感奋数据中心对AI应用的需求，新一轮本事角逐仍是启动，鞭策了机架和PSU的电力需求大幅增长。其中，AI PSU的功率需求仍是从3-5.5 kW，擢升到8-12 kW（单相）和高达22 kW（三相）。这种需求给数据中心运营商带来了新的挑战，即若何优化数据中心的空间和电力的成果和期骗率。应酬这些挑战需要接管新的机架架构和AC-DC配电确立，使得基于CoolSiCTM和CoolGaNTM的筹划处于PSU筹划的前沿，努力于完了最好成果和功率密度。

此外，新的宽禁带器件在新式拓扑结构中也展现了极佳的性价比，举例，在三电平飞跨电容图腾柱PFC中接管400 V CoolSiCTMMOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650 V CoolGaNTMBDS（详见前文）。

一言以蔽之，英飞凌的功率器件本事组合（硅、碳化硅和氮化镓）和经过优化的栅极驱动IC居品组合，通过搀杂应用，为现时和下一代平台及趋势的发展提供了撑捏。这些组合充分期骗了三种本事的上风，使PSU筹划完了了最好纯真性，并在成果、功率密度和系统老本之间达成均衡。

（刘立庆）开云kaiyun.com