SiC和GaN：揭秘第三代AI服務器電源！

點擊藍字

關注我們

新架構和 AC-DC 配電配置正在增加對數據中心機架和 PSU 電源的需求，從而需要更多的處理能力。本文探討了一些減少轉換和配電功率損耗的替代方案。

人工智能的興起使得數據中心的處理能力必須大幅增長。如圖 1 所示，英飛凌預測單個 GPU 的功耗將呈指數級增長，到 2030 年將達到約 2000 W，而 AI 服務器機架的峰值將達到驚人的 >300 kW。這些要求對數據中心機架的 AC 和 DC 配電系統進行新的架構更改，重點是減少從電網到核心的轉換和配電功率損耗。

圖 1. x86 和基于 Arm 的服務器 CPU 與 GPU 和 TPU 的電力需求比較。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供

圖 2（b）顯示了開放計算項目 (OCP) 機架電源架構的示例圖。每個電源架由三相輸入供電并容納多個 PSU；每個 PSU 由單相輸入供電。機架向母線輸出直流電壓（例如 50 V），母線還連接到 IT 和電池架。? ??

AI 趨勢要求 PSU 進行功率演進，如圖 2（a）所示。讓我們通過實施拓撲和設備技術建議的示例來介紹這些 PSU 的每一個代。

(a)

(b)

圖 2. AI 服務器 PSU 的功率演變 (a)。服務器機架架構示例 (b)。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供

AI 服務器機架 PSU 的趨勢和功率演進? ?

?

第一代 AI PSU：在相同架構下增加功率，~5.5–8 kW、50 Vout、277 Vac、單相

目前一代 AI 服務器的 PSU 大多遵循 ORv3-HPR 標準。在此標準中，與之前的 ORv3 3 kW 規范相比，大多數規范（包括輸入和輸出電壓以及效率）保持不變。但是，它更新了與 AI 服務器要求相關的規范，例如更高的功率和峰值功率要求（稍后介紹）以及由于與 BBU 架的通信修改而導致的更窄的輸出電壓調節。

盡管每個電源架都由三相輸入 (400–480 Vac L-L) 供電，如圖 2 所示，但每個 PSU 的輸入都是單相 (230–277 Vac)。圖 3 顯示了符合 ORv3-HPR 規范的第一代 PSU 的示例實現：PFC 級可以是兩個交錯的圖騰柱，使用 650 V CoolSiC MOSFET 作為快速支路，使用 600 V CoolMOS SJ MOSFET 作為慢速支路。DC-DC 級可以是使用 650 V CoolGaN 晶體管的全橋 LLC，而次級全橋整流器和 ORing 則使用 OptiMOS 功率 MOSFET 80 V。此示例中還顯示了中間級，稱為“保持時間延長”或“baby boost,”，其功能是減小大容量電容器的尺寸。它由一個升壓轉換器組成，該轉換器放電儲能電容器以在線路周期掉電事件期間調節 LLC 輸入電壓。在正常運行期間，此升壓轉換器處于空閑狀態，并由低歐姆 600 V CoolMOS SJ MOSFET 旁路。

圖 3. 第一代 AI PSU 拓撲和設備技術示例。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供? ??

圖 4. 第二代 AI PSU 拓撲和設備技術示例。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供

第二代 AI PSU

增加線電壓，功率更高，約為 8–12 kW、50 Vout、277–347 Vac、單相

隨著上述機架功率增加到 300 kW 以上，電源架的密度變得至關重要。因此，下一代 PSU 將朝著單相架構的 8 kW 和高達 12 kW 的方向發展。由于每個機架的功率更高，數據中心中的機架數量在某些情況下可能會受到配電電流額定值和損耗的限制。因此，為了減少交流配電電流和損耗，一些數據中心可能會將機架的交流配電電壓從 400/480 V 增加到 600 Vac L–L（三相），其中 PSU 輸入電壓從 230/277 Vac 增加到 347 Vac（單相）。

雖然這種變化有利于數據中心的運行和利用，但它會影響 PSU 的電壓額定值和設計。在 347 Vac 輸入下，PFC 輸出必須設置為 ~575 Vdc，這意味著 650 V 設備的電壓額定值不足。圖 4 顯示了一個示例實現：第一代 PSU 中討論的兩級圖騰柱 PFC 可以用使用 CoolSiC MOSFET 400 V 的三級飛帽圖騰柱 PFC（3-L FCTP PFC）級代替。多級電源轉換的概念允許在使用電壓額定值較低的開關時獲得更高的輸入電壓。由于多級拓撲的頻率倍增效應，3-L FCTP PFC 提供了更高的效率和功率密度優勢。最重要的是，優化 CoolSiC 技術以實現 400 V 的較低擊穿電壓，與 CoolSiC 650 V 和 750 V 參考設備相比，可獲得出色的 FoM，如圖 5（a）所示。此外，圖 5（b）顯示了整個溫度范圍內的導通電阻圖，表明 CoolSiC MOSFET 400 V 的 RDS(on) 100°C 僅比 RDS(on) 25°C 高 11%。這種平坦的 RDS(on) 與 Tj 特性的好處是，它使 CoolSiC MOSFET 具有更高的 RDS(on) 典型值，從而降低成本并提高開關性能。? ??

(a)

? ?(b)

圖 5. CoolSiC 400 V 與 650 V 和 750 V 相比，開關 FoM 得到改善，RDS(on) 對結溫的依賴性保持穩定：品質因數 (a)、RDS(on) 與 Tj (b)。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供

三相 LLC 拓撲結構是 DC-DC 級的不錯選擇，其中 CoolSiC MOSFET 750 V 用于初級側開關，OptiMOS 5 功率 MOSFET 80 V 用于次級全橋整流器和 ORing。由于第三個半橋開關支路，該解決方案可以提供更高的功率，為三個開關半橋之間的固有耦合提供輸出電流紋波消除和自動電流共享。

第三代 AI PSU

三相架構和 400 V 配電，最高功率約為 22 kW 400 Vout 480–600 Vac 三相

為了進一步提高機架功率，第三代 AI PSU 將采用更具顛覆性的機架架構，如下所示：

PSU 輸入從單相變為三相，以提高密度和成本

電源架 PSU 輸出電壓從 50 V 增加到 400 V，以降低母線電流、損耗和成本

圖 6 顯示了三相輸入和 400 V 輸出 PSU 的示例實現，其中包含推薦的設備和技術。PFC 級是 Vienna 轉換器，這是三相 PFC 應用的流行拓撲。它的主要優勢在于，由于其分離總線電壓，它允許使用 650 V 設備，使用兩倍數量的背對背 CoolSiC MOSFET 650 V 和 CoolSiC 1200 V 二極管。由于 PFC 輸出是分離電容器，因此每個電容器電壓為 430 V，并向全橋 LLC 轉換器供電，初級和次級側均配備 CoolGaN 晶體管 650 V。兩個 LLC 級在初級側串聯，在次級側并聯，以向 400 V 母線供電。? ??

圖 6. 第三代 AI PSU 拓撲和設備技術示例。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供

或者，兩個背靠背的 CoolSiC MOSFET 650 V 可以用 CoolGaN 雙向開關 (BDS) 650 V 代替，后者是真正的常閉單片雙向開關。這意味著單個 CoolGaN BDS 可以取代四個分立電源開關，以獲得相同的 RDS(on)，因為它在 RDS(on)/mm2 方面具有高效的芯片尺寸利用率。

WBG 對 AI PSU 的好處

寬帶隙 (WBG) 半導體（例如 CoolGaN）成為 AI PSU 的最佳選擇，因為它們在更高的開關頻率下提供最佳效率，從而實現更高功率密度的轉換器，而不會影響轉換效率。

除了 AI PSU 的標稱功率顯著上升外，GPU 還會吸收更高的峰值功率并產生高負載瞬變，如圖 7 所示。因此，DC-DC 級輸出必須足夠動態，而電壓過沖和下沖必須保持在規定的限值內。可以通過提高開關頻率來增加 DC-DC 級輸出動態，從而增加控制環路帶寬。? ??

圖 7. AI GPU 所需的 AI PSU 峰值功率。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供

CoolGaN 器件因其卓越的 FoM 和 Si、SiC 和 GaN 器件中最低的開關損耗而輕松滿足了更高開關頻率的要求。尤其是在軟開關 LLC 轉換器中，CoolGaN 具有最低的輸出電容電荷 (Qoss)，這對于更輕松地實現 ZVS（零電壓開關）起著至關重要的作用。隨后，這有助于更精確地設置死區時間，從而消除不必要的死區時間傳導損耗。

3-L 飛電容圖騰柱 PFC

使用 CoolSiC MOSFET 400 V 的三級飛電容圖騰柱 PFC (3-L FCTP PFC) 不僅允許更高的交流輸入電壓，而且由于與 CoolSiC 650 V 和 750 V 參考器件相比具有出色的性能系數 (FoM)，因此具有更高的密度和效率優勢。優化的電感器設計（尺寸、材料和繞組）和 3L 拓撲中的 RDS(on) 選擇以及降低的開關損耗有助于實現平坦的效率曲線，峰值效率 >99.3%，滿載效率 >99.15%，如圖 8 所示。? ??

圖 8. 效率比較：3-L FCTP PFC 與 2-L TP PFC。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

總結

為滿足數據中心 AI 應用需求而部署新技術的競賽已經開始，機架和 PSU 的電力需求激增。AI PSU 的電力需求從 3-5.5 kW 增長到 8-12 kW 單相和高達 22 kW 三相。這種需求對數據中心運營商提出了挑戰，要求他們優化數據中心空間和可用電力的效率和利用率。應對這些挑戰需要新的機架架構和 AC-DC 配電配置，將基于 CoolSiC 和 CoolGaN 的設計定位在 PSU 設計的最前沿，以實現最佳效率和功率密度。

此外，新的 WBG 設備可以為新拓撲實現最佳性價比，正如在 3 級flying-cap圖騰柱 PFC 中使用 CoolSiC MOSFET 400 V 或在三相維也納 PFC 中使用 CoolGaN BDS 650 V 所解釋的那樣。? ??

原文鏈接：https://eepower.com/technical-articles/meeting-ai-demands-with-sic-and-gan-power-supplies/#? ??

< 長按識別二維碼添加好友 >

加入上述群聊

長按并關注

帶你走進萬物存儲、萬物智能、

萬物互聯信息革命新時代

微信號：SSDFans