利用 SiC 和 GaN 电源满足 AI 需求

出处：维库电子市场网发布于：2025-01-02 16:52:43

　　代 AI PSU：采用相同架构，功率更高，约 5.5–8 kW，50 V输出，277 V交流，单相
　　目前的AI服务器PSU大多遵循ORv3-HPR标准。在该标准中，大多数规格，包括输入和输出电压以及效率，与之前的 ORv3 3 kW 规格相比没有变化。然而，它更新了与人工智能服务器要求相关的规格，例如更高的功率和峰值功率要求（稍后描述）以及由于与 BBU 架的通信修改而导致的更窄的输出电压调节。

　　尽管每个电源架均由三相输入 (400–480 V ac LL) 供电，如图 2 所示，但每个 PSU 的输入都是单相 (230–277 V ac )。图 3 显示了满足 ORv3-HPR 规范的代 PSU 的示例实现：PFC 级可以是两个交错图腾柱，使用 CoolSiC MOSFET 650 V 用于快速桥臂，使用 600 V CoolMOS SJ MOSFET 用于慢桥臂。 DC-DC 级可以是使用 CoolGaN 650 V 的全桥 LLC，而次级全桥整流器和 ORing 则采用 OptiMOS 功率 MOSFET 80 V。此示例中还显示了中间级，称为“保持”时间延长”或“婴儿升压”，其功能是减小大容量的尺寸。它由一个升压转换器组成，可对储能电容器进行放电，以在线路周期压差事件期间调节 LLC 输入电压。在正常运行期间，该升压转换器处于空闲状态，并被低欧姆 600 V CoolMOS SJ MOSFET 旁路。

　　图 1. 与 GPU 和 TPU 相比，x86 和基于 Arm 的服务器 CPU 的电力需求。图片由博多电力系统提供

　　（一个）

　　(二)

　　图 2. AI 服务器 PSU 的功率演变 (a)。服务器机架架构示例 (b)。图片由博多电力系统提供

　　图 3. 代 AI PSU 拓扑和设备技术示例。图片由博多电力系统提供

　　图 4. 第二代 AI PSU 拓扑和设备技术示例。图片由博多电力系统提供

　　第二代AI电源
　　增加线路电压，实现约 8–12 kW 的更高功率，50 V输出，277–347 V交流，单相
　　随着上述机架功率增加到>300 kW，电源架的密度变得至关重要。因此，下一代 PSU 的单相架构功率将达到 8 kW，甚至高达 12 kW。由于每个机架的功率较高，在某些情况下，数据中心的机架数量可能会受到配电电流额定值和损耗的限制。因此，为了减少交流配电电流和损耗，一些数据中心可能会将机架的交流配电电压从 400/480 V 增加到 600 V ac L–L（三相），其中 PSU 输入电压会增加230/277 V交流电至 347 V交流电（单相）。

　　尽管这一变化有利于数据中心的运营和利用，但它可能会影响 PSU 的额定电压和设计。在 347 V交流输入下，PFC 输出必须设置为 ~575 V直流，这意味着 650 V 设备的额定电压不足。图 4 显示了一个示例实现：代 PSU 中讨论的两级图腾柱 PFC 可以替换为使用 CoolSiC MOSFET 400 V 的三级飞帽图腾柱 PFC (3-L FCTP PFC) 级多级电源转换的概念允许在使用额定电压较低的时获得更高的输入电压。由于多级拓扑的倍频效应，3L FCTP PFC 具有更高的效率和功率密度优势。重要的是，与 CoolSiC 650 V 和 750 V 参考器件相比，优化 CoolSiC 技术可将击穿电压降低至 400 V，从而获得出色的 FoM，如图 5（左）所示。此外，图 5（右）显示了整个温度范围内的通态电阻图，显示 CoolSiC MOSFET 400 V 的 R DS(on) 100°C 仅比 R DS(on) 25°C高 11% 。这种平坦的 R DS(on)与 Tj 特性的好处在于，它使 CoolSiC MOSFET 具有更高的 R DS(on)典型值，从而实现更好的成本和开关性能。

　　（一个）

　　(二)
　　图 5. CoolSiC 400 V 与 650 V 和 750 V 相比??，改进的开关 FoM 和稳定的 R DS(on)与结温的关系：品质因数 (a)、R DS(on)与 T j (b)。图片由博多电力系统提供 [PDF]
　　三相 LLC 拓扑是 DC-DC 级的不错选择，其中用于初级侧开关的 CoolSiC MOSFET 750 V 和用于次级全桥整流器和 ORing 的 OptiMOS 5 功率 MOSFET 80 V。由于第三个半桥开关桥臂，该解决方案可以提供更高的功率，为三个开关半桥之间的固有耦合提供输出电流纹波消除和自动均流。
　　第三代AI电源
　　三相架构和 400 V 配电，功率可达 22 kW 400 Vout 480–600 Vac 三相
　　为了进一步提升机架功率，第三代AI PSU将拥有更具颠覆性的机架架构，具体如下：
　　PSU 输入从单相改为三相，以提高密度和成本

　　电源架 PSU 输出电压从 50 V 增加至 400 V，以减少母线电流、损耗和成本

　　图 6 显示了采用推荐的器件和技术实现三相输入和 400 V 输出 PSU 的示例。 PFC 级是 Vienna 转换器，这是三相 PFC 应用的流行拓扑。其主要优势在于，由于其分离总线电压，允许使用 650 V 器件，使用两倍数量的背对背 CoolSiC MOSFET 650 V 和 CoolSiC 1200 V 。由于 PFC 输出是分离电容器，因此每个电容器电压为 430 V，并为初级侧和次级侧带有 CoolGaN 晶体管的全桥 LLC 转换器供电 650 V。两个 LLC 级在初级侧串联连接，在次级侧并联连接，以为 400 V 母线供电。
　　图 6. 第三代 AI PSU 拓扑和设备技术示例。图片由博多电力系统提供
　　或者，两个背靠背 CoolSiC MOSFET 650 V 可由 CoolGaN 双向开关 (BDS) 650 V 替代，这是真正的常关单片双向开关。这意味着单个 CoolGaN BDS 可以取代具有相同 R DS(on)的四个分立电源开关，因为它在 R DS(on) /mm 2方面具有高效的芯片尺寸利用率。
　　WBG 对 AI PSU 的好处
　　CoolGaN 等宽带隙 (WBG) 半导体成为 AI PSU 的选择，因为它们在更高的开关频率下提供??佳效率，从而在不影响转换效率的情况下实现更高功率密度的转换器。

　　除了 AI PSU 的标称功率显着上升之外，GPU 还会消耗更高的峰值功率并产生高负载瞬态，如图 7 所示。因此，DC-DC 级输出必须足够动态，同时电压过冲和下冲必须保持在规定的限度内。通过提高开关频率可以增加 DC-DC 级输出动态，从而增加控制环路带宽。

　　图 7.AI GPU 所需的 AI PSU 峰值功率。图片由博多电力系统提供
　　CoolGaN 器件由于其卓越的 FoM 和 Si、SiC 和 GaN 器件中的开关损耗，可以轻松满足更高开关频率的要求。特别是在软开关 LLC 转换器中，CoolGaN 具有的输出电容器电荷 (Qoss)，这对于更轻松地实现 ZVS（零电压开关）起着至关重要的作用。随后，这有助于更的死区时间设置，从而消除不必要的死区时间传导损耗。
　　3 L 飞帽图腾柱 PFC

　　使用 CoolSiC MOSFET 400 V 的三级飞电容图腾柱 PFC（3-L FCTP PFC）不仅允许更高的交流输入电压（如第 2.2 节中所述），而且由于出色的品质因数（ FoM）与 CoolSiC 650 V 和 750 V 参考器件进行比较。优化的电感器设计（尺寸、材料和绕组）以及 3L 拓扑中 R DS(on)的选择可降低开关损耗，有助于实现平坦的效率曲线，峰值效率 >99.3%，满载效率 >99.15 %，如图8所示。