技术洞察 | 英飞凌CoolSiC™和CoolGaN™产品，升级电源和机架架构，满足AI服务器的需求

前言

人工智能（AI）的迅猛发展推动了数据中心处理能力的显著增长。如图1所示，英飞凌预测单台GPU的功耗将呈指数级上升，预计到2030年将达到约2000W [1] ，而AI服务器机架的峰值功耗将突破惊人的300kW。这一趋势促使数据中心机架的AC和DC配电系统进行架构升级，重在减少从电网到核心设备的电力转换和配送过程中的功率损耗。

图2（右）展示了开放计算项目（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（例如，50V）输出到母线，母线则连接到IT和电池架。

AI的发展趋势要求对PSU功率进行革新，如图2（左）所示。 接下来，我们将通过各代PSU的拓扑结构和器件技术建议示例，来逐步介绍这些PSU的演变。

图1 基于x86和Arm ® 架构的服务器CPU

与GPU和TPU的电力需求对比

图2 AI服务器PSU的功率演变（左）；服务器机架架构示例（右）。

AI服务器机架PSU的趋势和功率演进

▴ 第一代AI PSU：在相同的架构下提升功率，~5.5-8kW、50V out 、277V ac 、单相

当前的AI服务器PSU大多遵循ORv3-HPR标准 [9] 。相较于先前的ORv3 3 kW标准 [9] ，该标准的大部分要求（包括输入和输出电压以及效率）保持不变，但增加了与AI服务器需求相关的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后详述）。此外，由于与BBU架的通信方式有所调整，输出电压的调节范围变得更窄。

尽管每个电源架都通过三相输入（400-480 V ac L-L）供电（见图2），但每台PSU的输入仍为单相（230-277 V ac ）。图3展示了符合ORv3-HPR标准的第一代PSU的部署示例：PFC级可以采用两个交错的图腾柱拓扑结构，其中，650V CoolSiC™ MOSFET用于快臂开关，600V CoolMOS™ SJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级可以选用650V CoolGaN™晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器和ORing则使用80V OptiMOS™ Power MOSFET。此外，示例还展示了一个中间级，也称“延长保持时间”或“小型升压”，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换器组成，在线路周期掉电事件期间，通过储能电容器放电，以调节LLC输入电压。在正常运行期间，升压转换器保持空闲状态，并通过低阻抗的600V CoolMOS™ SJ MOSFET旁路。

图3：第一代AI PSU的拓扑结构及器件技术示例

▴ 第二代AI PSU：增加线路电压，以实现更高的功率，~8-12kW、50Vout、277–347Vac、单相

如上所述，随着机架功率增加到300kW以上，电源架的功率密度变得至关重要。 因此，下一代PSU的设计方向是，在单相架构中实现8kW至12kW的输出功率。 随着每个机架的功率增加，数据中心中的机架数量在某些情况下，可能会受配电电流额定值和损耗的约束。因此，为了降低交流配电的电流和损耗，部分数据中心可能会将机架的交流配电电压从400/480V提高到600V ac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277V ac 提高到347V ac （单相）。

虽然这一变化有利于数据中心的运行效率和资源利用，但会影响PSU的额定电压和设计。在347V ac 的输入电压下，PFC的输出电压必须设定在575V dc 左右，这意味着传统的650V器件的额定电压已无法满足要求。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400V CoolSiC™ MOSFET的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转换概念使得在使用较低额定电压的开关器件的同时，支持更高的输入电压。凭借多电平拓扑结构的频率倍增效应，3-L FCTP PFC能够带来更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC™技术针对400V的较低击穿电压进行了优化，与650V 和750V CoolSiC™参考器件相比，其FoM更为优异（见图5（左））。此外，图5（右）显示了导通电阻在整个温度范围内的曲线，其中，400V CoolSiC™ MOSFET的R DS(on) 100°C 仅比R DS(on) 25°C 高11%。R DS(on) 与T j 之间的这一平缓关系有助于CoolSiC™ MOSFET实现更高的R DS(on) typ ，从而降低成本并提升开关性能。

对于DC-DC级来说，三相LLC拓扑结构是一种理想选择，其中，750V CoolSiC™ MOSFET用于初级侧开关，80V OptiMOS™ 5 Power MOSFET用于次级全桥整流器和ORing。由于增加了第三个半桥开关臂，该解决方案能够提供更高的功率，有效降低输出电流的纹波，并通过三个开关半桥之间的固有耦合实现自动电流分配。

图4 第二代AI PSU的拓扑结构和器件技术示例

图5 400V CoolSiC™与650V和750V CoolSiC™对比，具有更优的开关FoM和稳定的R DS(on) 与结温的关系：品质因数（左），R DS(on) 与T j （右）

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

为了进一步提高机架功率，第三代AI PSU将采用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，并降低成本

• 电源架PSU输出电压： 从50V提升到400V，以降低母线电流、损耗和成本

图6展示了一个三相输入、400V输出的PSU部署示例，以及推荐的器件和技术。PFC级采用Vienna整流器，这是一种常用于三相PFC应用的拓扑结构。其主要优势在于采用分离式总线电压设计，因此可以使用650 V器件：通过使用双倍数量的背靠背650V CoolSiC™ MOSFET和1200V CoolSiC™二极管实现。PFC输出配置为分离式电容器，每个电容器电压为430V，并为全桥LLC转换器供电，该转换器在初级和次级侧均使用650V CoolGaN™晶体管。两个LLC级在初级侧串联，次级侧并联，以向400V母线供电。

此外，也可以将两个背靠背的650V CoolSiC™ MOSFET替换为650V CoolGaN™ 双向开关（BDS），后者是真正的常关型单片双向开关。这意味着一个CoolGaN™ BDS即可取代4个分立式电源开关，以实现相同的RDS(on)，这是因为它在R DS(on) /mm 2 方面具备更高的芯片尺寸利用率。

图6 第三代AI PSU的拓扑结构和器件技术示例

WBG为 AI PSU带来的优势

▴ CoolGaN™助力实现高峰值功率瞬变

宽禁带（WBG）半导体（例如，CoolGaN™ [2] ）能够在更高的开关频率下，实现最佳效率，使转换器在不影响转换效率的前提下，实现更高的功率密度，因此，成为AI PSU的理想选择。

除了AI PSU的额定功率显著增加外，GPU在运行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级的输出必须具有足够的动态响应能力，同时需确保电压的过冲和下冲保持在规定的范围内。通过提升开关频率，并增加控制环路带宽，可以提高DC-DC级的输出动态响应能力。

图7 AI GPU所需的AI PSU峰值功率

▴ 400V CoolSiC™ MOSFET可在3-L飞电容图腾柱PFC中实现最高效率

使用 CoolSiC™ MOSFET 400V的三电平级飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）不仅能够实现更高的交流输入电压（见第2.2节），且相较CoolSiC™ 650V和750V参考器件，其品质因数（FoM）更佳，因此还能提供显著的功率密度和效率优势。经过优化的电感器设计（包括尺寸、材料和绕组）和3L拓扑结构中的R DS(on) 选择，结合更低的开关损耗，能够实现平缓的效率曲线： 峰值效率超过99.3%，满载效率超过99.15% （见图8）。

图8 效率对比：3-L FCTP PFC与2-L TP PFC

结论

了满足数据中心对AI应用的需求，新一轮技术角逐已经启动，推动了机架和PSU的电力需求大幅增长。其中，AI PSU的功率需求已经从3-5.5kW，提升到8-12kW（单相）和高达22kW（三相）。这种需求给数据中心运营商带来了新的挑战，即如何优化数据中心的空间和电力的效率和利用率。 应对这些挑战需要采用新的机架架构和AC-DC配电配置，使得基于CoolSiC™和CoolGaN™的设计处于PSU设计的前沿，致力于实现最佳效率和功率密度。

此外，新的宽禁带器件在新型拓扑结构中也展现了极佳的性价比，例如，在三电平飞跨电容图腾柱PFC中采用400V CoolSiC™ MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650V CoolGaN™ BDS（详见前文）。

总而言之，英飞凌的功率器件技术组合（硅、碳化硅和氮化镓）和经过优化的栅极驱动IC产品组合，通过混合应用，为当前和下一代平台及趋势的发展提供了支持。这些组合充分利用了三种技术的优势，使PSU设计实现了最佳灵活性，并在效率、功率密度和系统成本之间达成平衡。此外，英飞凌还率先推出了全球首项300毫米氮化镓功率半导体等先进技术，进一步推动了文章 [10] 中所述的未来设计发展。

关于作者

Sam Abdel-Rahman拥有中佛罗里达大学电气工程博士学位，效力英飞凌已十三年有余，现任高级首席系统架构师，负责开发服务器/数据中心SMPS和可再生能源应用的应用路线图。Sam在功率半导体行业拥有丰富的经验，专注于系统架构、拓扑结构和控制技术。

更多关于400V CoolSiC™介绍请见 https://www.eepw.com.cn/event/action/infineon_coolsic/index.html