AI 算力爆發(fā)催生數(shù)據(jù)中心電源新需求

　　AI 工作負(fù)載的持續(xù)強(qiáng)化，使得 AI 機(jī)架服務(wù)器單個(gè) GPU 的功耗在未來幾年內(nèi)預(yù)計(jì)將達(dá)到驚人的 2kW。更值得關(guān)注的是，據(jù)預(yù)測(cè)，到 2030 年數(shù)據(jù)中心的電力消耗將占全球電力消耗的 7%，這一數(shù)值相當(dāng)于印度目前的能源消耗總量。全球數(shù)據(jù)的指數(shù)級(jí)增長，疊加不斷加劇的電力和電網(wǎng)約束，不僅推動(dòng)著對(duì)節(jié)能解決方案的迫切需求，以減輕這一趨勢(shì)對(duì)環(huán)境的影響，還關(guān)乎供應(yīng)安全，尤其是在數(shù)據(jù)中心集中的地區(qū)。

　　面對(duì)這一局面，許多企業(yè)由于對(duì)可擴(kuò)展性的迫切需求、高昂的前期成本以及大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施管理的復(fù)雜性，難以承擔(dān)擴(kuò)建或新建數(shù)據(jù)中心的重任。因此，數(shù)據(jù)中心不得不嘗試在現(xiàn)有機(jī)架空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。為了滿足不斷增長的功率需求，電源供應(yīng)器(PSU)必須在實(shí)現(xiàn)更高功率密度和效率水平的同時(shí)，將能量損失和熱量產(chǎn)生降至最低。此外，在這種高密度服務(wù)器解決方案中，散熱問題成為主要關(guān)注點(diǎn)，這就要求 PSU 必須將效率放在首位，以最大限度地減少功率浪費(fèi)并減輕數(shù)據(jù)中心的散熱負(fù)擔(dān)。

　　混合功率半導(dǎo)體：突破傳統(tǒng)硅基器件性能瓶頸

　　長期以來，硅在功率電子領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，其物理特性限制了它處理高電壓、大電流和高頻信號(hào)的能力?；诠璧钠骷?，如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率 MOSFET，已逐漸接近其理論極限，這使得進(jìn)一步提高效率和功率密度變得極具挑戰(zhàn)性。隨著對(duì)功率輸出需求的不斷增加，維持最高效率變得至關(guān)重要，因此需要具有更低導(dǎo)通電阻(RDS (ON))和最小開關(guān)損耗的功率器件。

　　盡管硅仍然是最具成本競爭力的技術(shù)，但隨著行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新以及對(duì)下一代技術(shù)的投資不斷增加，氮化鎵和碳化硅的成本預(yù)計(jì)在未來幾年將大幅下降，使其與傳統(tǒng)的硅基解決方案相比更具競爭力。從材料性能來看，SiC 和 GaN 與 Si 相比具有更高的品質(zhì)因數(shù)(FoM)，這意味著它們?cè)谛屎凸β拭芏确矫姹憩F(xiàn)更優(yōu)。

　　以輸出電容(Coss)為例，它是衡量開關(guān)損耗的關(guān)鍵指標(biāo)。GaN 晶體管的輸出電荷(Qoss)低于硅晶體管，這使得在軟開關(guān)電路中能夠?qū)崿F(xiàn)更短的死區(qū)時(shí)間和更高頻率的操作，且不會(huì)增加額外的損耗。此外，GaN 晶體管不存在體二極管恢復(fù)問題，非常適合用于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下的圖騰柱 PFC 電路等硬開關(guān)半橋應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的效率。由于溝道中不存在少數(shù)載流子，GaN 的反向恢復(fù)電荷(Qrr)也顯著低于硅晶體管，且其柵極電荷(Qg)和 RDS (ON) 溫度系數(shù)也低于超結(jié)(SJ)器件，從而在工作溫度下具有更低的傳導(dǎo)損耗。

　　SiC MOSFET 與硅 SJ MOSFET 相比，具有更優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)和關(guān)鍵特性，能夠支持新的更高密度和效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SiC 器件的一大優(yōu)勢(shì)在于其反向恢復(fù)電荷(Qrr)遠(yuǎn)低于硅晶體管，這使得基于 SiC 的器件能夠用于需要重復(fù)反向恢復(fù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如硬開關(guān)半橋和圖騰柱 PFC。此外，SiC MOSFET 的 RDS (ON) 隨溫度的增加幅度較小，使其成為硬開關(guān)拓?fù)渲懈唠娏鲬?yīng)用的首選。其輸出電荷(Qoss)也比傳統(tǒng)的硅超結(jié) 600V 功率晶體管低得多且更線性，在軟開關(guān)和硬開關(guān)應(yīng)用中都具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括零電壓開關(guān)(ZVS)所需的更短死區(qū)時(shí)間、LLC 諧振階段的更高頻率以及 CCM 圖騰柱階段的硬換相損耗降低。與 SJ MOSFET 相比，其柵極電荷(Qg)更低，這影響著晶體管開關(guān)的速度以及在高頻下驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電路所需的功率。

　　英飛凌混合 PSU 方案：多技術(shù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能躍升

　　英飛凌將 SiC 和 GaN 技術(shù)與現(xiàn)有基于 Si 的設(shè)計(jì)相結(jié)合，在效率、功率密度和整體性能方面帶來了顯著優(yōu)勢(shì)。例如，在圖騰柱 PFC 階段使用 GaN 可以實(shí)現(xiàn)更高頻率的操作并減少損耗，而在 LLC 諧振階段使用 SiC 則可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更高的效率。此外，SiC 和 GaN 較低的柵極電荷和 RDS (ON) 溫度系數(shù)可以降低傳導(dǎo)損耗并提高整體效率。

　　英飛凌推出的采用 Si/SiC/GaN 功率器件的 PSU 解決方案，旨在滿足 AI 應(yīng)用的高功率需求，功率額定值高達(dá) 12kW，輸出電壓高達(dá) 50V DC 總線。這些解決方案實(shí)現(xiàn)了 98% 的基準(zhǔn)效率，具有高功率密度(如 100W/in3)，并滿足 20ms 的嚴(yán)格保持時(shí)間要求，支持功率水平高達(dá) 300kW 及以上的 AI 機(jī)架，同時(shí)遵循 ORv3 指南。

　　3kW 解決方案：EVAL_3KW_50V_PSU 評(píng)估板于 2021 年發(fā)布，采用前端無橋圖騰柱 PFC 級(jí)和隔離式半橋串并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(LLC)級(jí)。該設(shè)計(jì)利用 CoolSiC MOSFET 器件，實(shí)現(xiàn)了高效率和高功率密度，滿足 OCP 整流器 V3 規(guī)格，峰值效率為 97.5%，功率密度為 32.15W/in3。

　　3.3kW 解決方案：REF_3K3W_HFHD_PSU 參考板采用前端 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，帶有交錯(cuò)無橋圖騰柱級(jí)，后端隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用 GaN 半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器。該設(shè)計(jì)同時(shí)使用 CoolSiC 和 CoolGaN 器件，其性能超過 OCP 整流器 V3 規(guī)格，峰值效率為 97.4%，功率密度為 98W/in3。LLC 階段的 GaN 器件允許更快的開關(guān)速度和更低的損耗，從而提高效率。此外，PSU 前端 AC-DC 轉(zhuǎn)換器中的交錯(cuò)無橋圖騰柱級(jí)實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度和更低的損耗。

　　8kW 解決方案：英飛凌最近推出的 REF_8KW_HFHD_PSU 參考板，專門為滿足 AI 數(shù)據(jù)中心不斷增長的功率需求而設(shè)計(jì)。該 PSU 參考板利用每種半導(dǎo)體技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)來優(yōu)化性能、尺寸和成本。無橋圖騰柱 PFC 級(jí)確保了更高的效率和可靠性，高頻 LLC 級(jí)采用 CoolGaN 開關(guān)，其電容較低，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)和更低的損耗。同時(shí)，硅功率開關(guān)用于 PFC 和 DC-DC 階段的整流，因?yàn)樵谶@些階段開關(guān)損耗最小，利用其最低的 RDS (ON) 來最小化傳導(dǎo)損耗。該 PSU 的基準(zhǔn)效率為 97.5%，針對(duì)減少冷卻工作進(jìn)行了優(yōu)化，功率密度為 100W/in3，是 ORv3 規(guī)格的兩倍，旨在提供最大性能。

　　12kW 解決方案：英飛凌將其產(chǎn)品組合擴(kuò)展到包括 12kW PSU，這是一款展示最新電源解決方案的前沿設(shè)計(jì)。該參考板采用模塊化方法，由兩個(gè) 6kW 模塊組成，可以輕松組合以實(shí)現(xiàn)所需的功率輸出，從而提高輕載效率并簡化制造。多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許利用混合功率半導(dǎo)體開關(guān)優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換過程的每個(gè)階段。DC-DC 轉(zhuǎn)換階段通過先進(jìn)的熱管理技術(shù)和高性能組件，實(shí)現(xiàn)了 100W/in3 的高功率密度，是 ORv3 規(guī)格密度的兩倍。基于英飛凌 PSOC 和 XMC 微控制器的數(shù)字控制系統(tǒng)，能夠?qū)β兽D(zhuǎn)換過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，并具有預(yù)測(cè)性維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等高級(jí)功能，從而在 100W/in3 的功率密度下實(shí)現(xiàn)了 97.5% 的基準(zhǔn)效率。

　　面向未來：混合技術(shù)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心綠色高效發(fā)展

　　隨著計(jì)算需求的不斷增長，數(shù)據(jù)中心持續(xù)面臨著在現(xiàn)有空間內(nèi)提供更多功率的挑戰(zhàn)。英飛凌創(chuàng)新的 PSU 解決方案通過混合組件方法優(yōu)化每個(gè)階段，該方法結(jié)合了 Si、SiC 和 GaN 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高功率密度和效率，具有更高的功率輸出、更低的能量損耗和更好的熱性能。

　　這些強(qiáng)大的 PSU 解決方案的功率額定值從 3kW 到 12kW，基準(zhǔn)效率為 97.5%，可以適應(yīng)各種功率可變的應(yīng)用，非常適合下一代 AI 數(shù)據(jù)中心，使 AI 處理器能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能和最低總擁有成本(TCO)。這種組合不僅帶來了技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還有助于減少數(shù)據(jù)中心的碳足跡。通過優(yōu)先考慮能源效率和最大限度地減少功率浪費(fèi)，PSU 有助于減輕全球數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長所帶來的環(huán)境影響。

　　在 AI 技術(shù)引領(lǐng)未來的時(shí)代，英飛凌的混合半導(dǎo)體 PSU 解決方案為數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)提供了高效、可靠且環(huán)保的技術(shù)路徑，有望在推動(dòng) AI 算力持續(xù)提升的同時(shí)，助力數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。