升级电源和机架架构，满足AI服务器的需求

英飞凌的CoolSiC^TM和CoolGaN^TM产品非常适用于应对数据中心机架和电源供应单元（PSU）电力需求增长所需的新架构和AC-DC配电配置。

作者：Sam Abdel-Rahman 英飞凌科技电源与传感系统事业部 高级首席系统架构师

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2000 W [1]，而AI服务器机架的峰值功耗将突破惊人的300 kW。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（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，50 V）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，~5.5-8 kW、50 V_out、277 V_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 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，650 V CoolSiC^TM MOSFET用于快臂开关，600 V CoolMOS^TM SJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级可以选用650 V CoolGaN^TM晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器和ORing则使用80 V OptiMOS^TM 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600 V CoolMOS^TM 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，~8-12 kW、50 V_out、277–347 V_ac、单相

如上所述，随着机架功率增加到300 kW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8 kW至12 kW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400/480 V提高到600 V_ac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277 V_ac提高到 347 V_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347 V_ac的输入电压下，PFC的输出电压必须设定在575 V_dc左右，这意味着传统的650 V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400 V CoolSiC^TM 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^TM技术针对400 V的较低击穿电压进行了优化，与650 V 和 750 V CoolSiC^TM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，400 V CoolSiC^TM 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^TM MOSFET实现更高的R_{DS(on) typ}，从而降低成本并提升开关性能。


图4：第二代AI PSU的拓扑结构和器件技术示例


图5：400 V CoolSiC^TM与650 V和750 V CoolSiC^TM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）

对于DC-DC级来说，三相LLC拓扑结构是一种理想选择，其中，750 V CoolSiC^TM MOSFET用于初级侧开关，80 V OptiMOS^TM 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。

第三代AI PSU：三相架构与400 V配电，最高功率约为22 kW，400 V_out，480-600 V_ac，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50 V提升到400 V，以降低母线电流、损耗和成本

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650 V CoolSiC^TM MOSFET和 1200 V CoolSiC^TM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430 V，并为全桥LLC转换器供电，该转换器在初级和次级侧均使用650 V CoolGaN^TM晶体管。两个LLC级在初级侧串联，次级侧并联，以向400 V母线供电。

此外，也可以将两个背靠背的650 V CoolSiC^TM MOSFET替换为650 V CoolGaN^TM 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^TM BDS即可取代4个分立式电源开关，以实现相同的R_DS(on)，这是因为它在R_DS(on)/mm²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^TM助力实现高峰值功率瞬变

宽禁带（WBG）半导体（例如，CoolGaN^TM[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

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

使用 CoolSiC^TM MOSFET 400 V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^TM 650 V和750 V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

为了满足数据中心对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3-5.5 kW，提升到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^TM和CoolGaN^TM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400 V CoolSiC^TM MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650 V CoolGaN^TM 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。

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https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/

参考文献 

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Infineon Technologies AG: Wide Bandgap Semiconductors (SiC/GaN); https://www.infineon.com/cms/en/product/technology/wide-bandgap-semiconductors-sic-gan/

Infineon Technologies AG: GaN transistors (GaN HEMTs); https://www.infineon.com/gan

Infineon Technologies AG: Silicon Carbide MOSFET Discretes; https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/silicon-carbide/discretes/

Infineon Technologies AG: Server and data center 3 kW 50 V PSU – Engineering report; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Evaluation_board_EVAL_3KW_50V_PSU-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46278d64ffd0178f986be9e08a7

Infineon Technologies AG: 3300 W CCM bidirectional totem pole with 650 V CoolSiC™ and XMC™– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Evaluationboard_EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626fc1ce0b016fc2ae66e20040

Infineon Technologies AG: 3.3 kW high-frequency and high-density PSU for server and datacenter applications; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-3.3_kW_high-frequency_and_high-density_PSU_for_server_and_datacenter_applications-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c90530b3a0190779314d375eb

Infineon Technologies AG: CoolSiC™ totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Application_note_CoolSiC_Totem_Pole_PFC_Design_and_Power_Loss_Modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c85ecb34701865a064ec24076

Infineon Technologies AG: CoolGaN™ totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Design_guide_Gallium_Nitride-CoolGaN_totem-pole_PFC_power_loss_modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626d82c047016d95daec4a769a

Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard; https://www.opencompute.org/wiki/Open_Rack/SpecsAndDesigns

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/about-infineon/press/press-releases/2024/INFXX202409-142.html

Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions; https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/