科技巨頭與AI初創公司正消耗巨量電力以保持競爭力，這為全球數據中心的脫碳目標帶來了新挑戰。
當前，NVIDIA“Hopper”GPU等高功耗AI芯片的功率已達700瓦，單臺訓練大語言模型（LLM）的服務器需求激增。而NVIDIA即將推出的“Blackwell”GPU系列更將功耗推至1,200瓦，需依賴液冷散熱。到2030年，單顆服務器GPU功耗突破2千瓦亦非天方夜譚。
數據中心單機柜功耗需求因此從當前的15-30千瓦躍升至100千瓦以上。為此，英飛凌（Infineon）發布全新電源單元（PSU）路線圖，專為AI芯片高負載設計，整合硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）三種功率半導體技術，提供3至12千瓦功率輸出，兼顧能效與空間節省。
英飛凌并未直接向AI公司出售開關模式電源（SMPS），而是推出基于其功率FET、微控制器（MCU）、柵極驅動IC等元件的參考設計。除現有3千瓦方案外，其新一代8千瓦PSU參考設計能效達97.5%，功率密度達100瓦/立方英寸，為市面3千瓦產品的3倍。? ??
SiC與GaN：未來AI電源的核心
PSU 在混合架構中充分利用了英飛凌的每種電源開關技術，使用 SiC、GaN 和 Si 功率場效應晶體管 (FET)，從而最大程度地提高效率和功率密度。
8 kW 電源由前端交錯式無橋圖騰柱和后端隔離式全橋 LLC 組成，體積比基于開放計算項目 (OCP) 標準的 5.5 kW PSU 更小。
新型 8 kW 電源參考板的功能塊
圖騰柱功率因數校正 (PFC) 使用 SiC，因為它在高溫下效率更高。650 V SiC MOSFET 的優點之一是它們具有較低的溫度系數，這意味著器件的導通電阻 (RDS(on)) 不易受熱影響。
高頻全橋 LLC 級的核心是 GaN。650 V GaN FET 因其較低的電容而受到青睞，這可以在切換期間實現更快的開啟和關閉時間。因此，LLC 級的開關頻率范圍為 350 MHz 至 1.5 GHz。? ??
更快的切換可降低功率損耗，從而為使用更小的電容器和其他無源元件以及變壓器和其他磁性元件打開了大門，從而提高了功率密度。硅 MOSFET 用于電源（PFC 和 DC-DC 轉換器）中的整流級，其中開關損耗的影響較小。這些設備最有意義，因為它們具有較低的 RDS(on)。
8 kW 電源還具有基于英飛凌 MCU 的全數字控制，用于圖騰柱 PFC 和全橋 LLC 級，為更準確和靈活的電源管理鋪平了道路。此外，據該公司稱，數字控制環路有助于在不同的負載條件下提供最佳性能。新裝置增加了專有磁性設備，也提高了其效率和功率密度。
另一項創新與電源中的大容量電容器有關。大容量電容器是一種放置在電源輸入端附近的儲能單元。充滿電后，它可以為系統提供安全的電流網。該設備有助于防止電源輸出在輸入電流斷開的情況下下降過多，從而消除電力傳輸過程中的任何中斷。
除了為服務器提供備用電源外，這些大容量電容器還用于過濾和減少由于系統中的浪涌電流或其他瞬變而可能出現的電源紋波。
在數據中心，AC-DC 電源轉換器用于為安裝 CPU、GPU 和其他 AI 芯片的服務器提供穩定的電壓。一般來說，這些電源旨在應對進入其中的高壓交流電的相對短期損失。“保持時間”是指電源在斷電或關機期間可以繼續輸出穩定直流輸出電壓的時間，這可能會中斷交流輸入電壓。
超過這個時間，電容器中存儲的能量就會耗盡。反過來，PSU 的輸出電壓會下降或完全關閉。這可能會導致服務器中的處理器關閉或重置，從而對耗電的 AI 訓練過程造成阻礙。訓練最大的 AI 模型可能需要幾天時間，而且在許多情況下，時間會比這長得多，因此中斷該過程可能會付出代價。? ??
由于它與電源在發生故障后可以繼續供電的時間成正比，因此增加電容是一個優點。代價是增加電容意味著使用更大的電容器，這將占用系統中的更多空間，并且不可避免地會增加成本。大容量電容器已經是 PSU 中最大的組件之一，而且在最新的高功率 PSU 中，它往往更大。
英飛凌表示，它通過 PSU 中的“輔助升壓電路”解決了這個問題。它由 600 V 超結 MOSFET 和 650 V SiC 二極管組成，可延長 8 kW 電源持續提供穩定直流輸出電壓的時間，而無需使用笨重的電容器進行中間儲能，從而節省空間并提高可靠性。該 PSU 在 100% 負載下支持 20 毫秒的保持時間。
PSU：數據中心電力輸送的關鍵之一
任何電源裝置的作用都是將用于向服務器機架配電的高壓交流電轉換為適用于服務器電路板的低壓穩壓直流電。在英飛凌的案例中，輸入是單相高壓電網（180 至 305 V 交流電），而輸出范圍為 48 至 51 V 直流電，電流高達 160 A。雖然數據中心電源裝置的標準直流輸出曾經是 12 V，但更廣泛的技術行業正在將其標準提高到 48 V。
電源輸出直流電壓范圍為 48 至 51 V，電流高達 160 A? ??
減少數據中心功率損耗的關鍵之一是以更高的電壓供電，然后將電壓降至盡可能接近 AI 加速器或其他芯片內處理器核心使用的電壓。
根據歐姆定律，功率等于電流乘以電壓 (P = I × V)，將供電電壓從 12 V 提高到 48 V 意味著消耗的電流減少了 4 倍，使公司能夠在數據中心使用更小的母線和電線，這無疑會節省空間并降低成本。根據歐姆定律的另一種形式，功率等于電阻乘以電流平方 (P = R × I2)，從 48 V 轉換為 12 V 可將電阻功率損耗降低 16 倍。
電源單元將 54 V 或 48 V 直流電送入服務器后，電源會遇到其他幾個 DC-DC 轉換器，這些轉換器將 PSU 的輸入電壓降低到正確的電壓，為服務器中的 GPU 或其他 SoC 供電。在許多情況下，中間總線轉換器 (IBC) 用于將 54 V 或 48 V DC 轉換為 12 V 或更低，然后電源流入電壓調節器模塊 (VRM)，這些模塊將 IBC 的輸出電壓降至盡可能靠近有源硅片的位置。或者，這些 DC-DC 轉換器可以將來自 PSU 的 54 V DC 直接轉換為 SoC 的“核心”電壓。
英飛凌還在努力解決數據中心 AI 電力輸送網絡的“最后一英寸”。在 2024 年 APEC 會議上，該公司推出了一系列多相電壓調節器 (VR)，它們位于服務器中的處理器或加速器兩側。這些模塊盡可能靠近 AI 硅片的負載點 (POL)，它們可以聚集在處理器周圍，以高達 90% 的效率向處理器輸送超過 2,000 A 的電流。
隨著人工智能工作負載在數據中心消耗越來越多的電力，電力電子公司不想落后。未來，英飛凌計劃推出一款參考設計，用于“世界上第一款” 12 千瓦 PSU。? ??
原文鏈接：https://www.electronicdesign.com/technologies/power/article/55056491/electronic-design-infineon-integrates-si-sic-and-gan-in-new-power-supply-for-ai-data-centers? ??
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