电源和机架架构的演进：适配 AI 服务器需求

电源和机架架构的演进：适配AI服务器需求 英飞凌CoolSiC™和CoolGaN™――为当前及未来的AI服务器机架架构而生，从容应对数据中心机架和PSU持续攀升的功率需求 作者：Sam Abdel-Rahman（英飞凌科技股份公司服务器开关电源系统架构师） www.infineon.com 目录 摘要31 AI服务器机架PSU的演进趋势和功率升级41.1第一代AI PSU：架构不变，功率跃升――~5.5 - 12 kW，50 Vout，230-277 Vac，单相输入41.2第二代AI PSU：面向超高功率的三相高压直流架构――~18–30kW，±400/800 Vout，400–480 Vac三相输入62宽禁带半导体对于AI PSU的价值82.1 CoolGaN™：赋能动态峰值功率瞬态响应82.2 400 V CoolSiC™ MOSFET：实现三电平飞跨电容图腾柱PFC的极致效率82.3 650 V和1200 V CoolSiC™ MOSFET：助力三相高压直流PSU实现超高能效93结论10参考文献11 摘要 AI负载带来的功耗压力持续攀升，正推动数据中心架构发生深刻变革（见图1）。当前，每个机架内部集供电、备份及IT负载于一体，采用功率不断增大的单相PSU。当单机架功率突破250 kW，供电架构也开始转变――供电和备份功能剥离至专用电源侧柜，同时引入三相交流配电。最后，随着机架功率持续跃升，数据中心将全面采用基于固态变压器（SST）的高压直流集中配电架构，实现全设施范围的高效电力输送。本文旨在论证：在上述各代架构演进中，通过融合硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）三种器件技术，能够打造出兼具超高能效和功率密度的电路拓扑。 1 AI服务器机架PSU的演进趋势和功率升级 图2展示了服务器机架架构从第一代到第二代的演进历程。左侧为第一代架构，以开放计算项目（OCP）的Open-Rack供电架构为例――这一架构已在超大规模数据中心规模化部署。每个供电架由三相交流输入供电，内部集成多个PSU模块，而每个PSU模块本身为单相交流输入。机架最终输出直流电压（以50 V为典型），汇入母线排，母线排同时连接IT负载架和电池备份架。当前这一代架构采用的是5.5 kW ORv3-HPR PSU，可替换为12kW PSU以提升功率密度。例如，配置4个供电源架、每个电源架采用12 kW PSU模块，单机架总功率可达288 kW。 AI应用的持续演进，PSU功率和机架功率同步升级。当单机架功率突破250 kW后，原有机架空间已无法同时容纳供电和计算单元，将供电单元与计算机架分离成为必然选择（见图2）。图2右侧为第二代架构，其核心特征是引入电源侧柜，集成PSU、电池备份单元（BBU）和电容模组单元（CBU）。PSU升级为三相交流输入、高压直流（HVDC）输出，单个电源模块功率可达30 kW。电源侧柜的设计不仅使机架功率可扩展至1MW，更为计算机架腾出更多空间以部署计算单元。电源侧柜输出的高压直流通过线缆传输至计算机架，这意味着需要增加一级转换电路，将高压直流降压至50 V。图2中2a和2b两代演进方案，正是HVDC转50 V的两种不同实现路径。2a代方案基于现有的50 V服务器托盘架构，将高压直流到50 V的转换电路部署在计算机架侧边的DC-DC转换架中。这种设计可在沿用现有50 V服务器基础设施的前提下，快速、平滑地引入高压直流侧柜架构。2b代方案则将高压直流到50 V的转换电路，以中间总线转换器模块或降压转换方案的形式，直接集成至服务器托盘内部。 后续章节将逐一介绍上述各代PSU和机架架构，并提供相应的实现拓扑示例及器件技术选型建议。 1.1第一代AI PSU：架构不变，功率跃升――~5.5 - 12 kW，50 Vout，230-277 Vac，单相输入 前一代AI服务器PSU主要遵循ORv3-HPR标准[13]。该标准在输入输出电压、效率等核心指标上，与前代ORv3 3 kW规范[13]保持一致。真正的变化在于针对AI服务器需求所做的专项升级：包括更高的额定功率和峰值功率要求（详见后文），以及因与BBU架通信协议优化而带来的更严苛的输出电压稳压精度要求。 尽管每个供电架采用三相输入（线电压400–480 Vac），但单台PSU本身仍为单相输入（230–277 Vac）。图3展示了符合ORv3-HPR规范的第一代PSU典型拓扑。PFC级通常采用两电平图腾柱拓扑――快管使用CoolSiC™MOSFET 650 V，慢管则搭配CoolMOS™ MOSFET 600 V。作为进阶性能方案，亦可选用基于CoolSiC™ MOSFET 400 V的三电平飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）[7]。多电平功率转换的核心优势在于可选用耐压等级更低的开关器件。凭借多电平拓扑的倍频效应，3-L FCTP PFC可实现更高的效率和功率密度。尤为关键的是，针对400 V较低击穿电压优化的CoolSiC™技术，相比650 V和750 V参考器件，展现出更优的优值（FoM），如图4（左）所示。此外，图4（右）展示了导通电阻随温度的变化曲线：400 V CoolSiC™ MOSFET在100℃时的导通电阻仅比25℃时高出11%。这种近乎平坦的导通电阻-结温特性带来的核心价值在于，可选用标称导通电阻更高的器件，从而在成本与开关性能之间实现更优平衡。 DC-DC级可采用多种LLC拓扑形态（如半桥、全桥或三相LLC），搭配CoolSiC™或CoolGaN™ 650 V晶体管；次级侧的全桥整流和ORing电路则采用OptiMOS™ 80 V或CoolGaN™晶体管。三相LLC拓扑因增加了第三个开关半桥而具备更高功率输出能力，同时可实现输出电流纹波抵消，并利用三个开关半桥的固有耦合实现自动均流。 8 kW PSU参考设计[6]即为第一代PSU的典型代表，其设计详情和测试结果均可在线查阅。 1.2第二代AI PSU：面向超高功率的三相高压直流架构――~18–30 kW，±400/800 Vout，400–480 Vac三相输入 为支撑机架功率的进一步跃升，第二代AI PSU将采用更具颠覆性的架构，其核心变革体现在： ╴ 输入从单相升级为三相，以提升功率密度并优化成本╴ 输出电压从50 V提升至±400/800 V，以降低母线电流、减少损耗并节约成本 图5为第二代三相输入、高压直流输出PSU的典型拓扑，及对应的推荐器件和技术方案。PFC级采用维也纳整流器――这是三相PFC应用中的成熟拓扑。其核心优势在于分裂母线电压设计，支持CoolSiC™ MOSFET 650 V背靠背应用；输入二极管选用CoolSiC™ 1200 V二极管，兼具简洁性与成本优势。作为进阶选择，T型拓扑将输入侧二极管替换为CoolSiC™ MOSFET 1200 V，通过降低导通损耗实现更高效率。 LLC级可配置为两路交错（并联）或两路级联（串联）的形式。在交错并联方案中，每路LLC均跨接在约860 V的全母线电压两端，初级侧使用CoolSiC™ MOSFET 1200 V。另一种方案是，利用PFC输出的分裂电容，将两路LLC串联连接，初级侧采用CoolGaN™或CoolSiC™ 650 V晶体管。无论采用串联还是并联LLC，两路LLC的次级侧均可并联输出：对于400 V输出，同步整流和ORing FET采用CoolSiC™或CoolGaN™ 650 V；对于800 V输出，则采用CoolSiC™ 1200 V。 在维也纳整流器和T型PFC拓扑中，两个背靠背的650 V CoolSiC™ MOSFET可采用650 V CoolGaN™双向开关（BDS）替代，如图6所示。该650 V CoolGaN™为真正常关型单片双向开关器件。凭借其优异的导通电阻-芯片面积比（RDS(on)/mm）[4]，单颗CoolGaN™ BDS即可替代二颗背靠背的分立式功率开关器件，且实现相同的导通电阻。 2宽禁带半导体对于AI PSU的价值 2.1 CoolGaN™：赋能动态峰值功率瞬态响应 以CoolGaN™ [2]为代表的宽禁带半导体，正成为AI PSU的最优选择――其核心价值在于：可在更高开关频率下保持极致效率，从而在不牺牲转换效率的前提下，实现更高功率密度的变换器设计。 AI负载对PSU的动态要求远不止于额定功率的提升。如图7所示，GPU不仅拉高峰值功率，更会产生剧烈的负载瞬态变化。这要求DC-DC级必须具备足够的动态响应能力，同时将电压过冲和下冲严格控制在规格范围内。提升开关频率是增强DC-DC输出动态响应的有效路径――更高的开关频率意味着更宽的控制环路带宽。英飞凌8 kW参考设计[6]中采用CoolGaN™实现的高频LLC拓扑，正是这一思路的成功验证。 CoolGaN™器件之所以能轻松应对高频开关需求，源于其在Si、SiC、GaN三类器件中显著更优的优值系数和最低的开关损耗。尤其在LLC这类软开关拓扑中，CoolGaN™极低的输出电容电荷（Qoss）大幅降低了零电压开关（ZVS）的实现门槛，进而支持更精准的死区时间设置，彻底消除不必要的死区导通损耗。 2.2 400 V CoolSiC™ MOSFET：实现三电平飞跨电容图腾柱PFC的极致效率 采用400 V CoolSiC™ MOSFET的三电平飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC），相比650 V和750 V CoolSiC™参考器件，具备更优的优值系数[7]，因而可实现更高的功率密度和效率。通过优化电感设计（尺寸、材料、绕组），并结合三电平拓扑的低开关损耗特性进行导通电阻选型，该方案可实现近乎平坦的效率曲线：峰值效率超过99.3%，满载效率高于99.15%，如图8所示。 2.3 650 V和1200 V CoolSiC™ MOSFET：助力三相高压直流PSU实现超高能效 如图5所示，650 V CoolSiC™ MOSFET用于PFC级的背靠背开关，而1200 V CoolSiC™ MOSFET/二极管则应用于维也纳整流器或T型PFC的输入桥臂。DC-DC级同样需要650 V或1200 V CoolSiC™ MOSFET――根据LLC拓扑配置及输出电压的不同，分别用于原边开关和副边同步整流。图9展示了CoolSiC™ MOSFET与竞品器件在常温及高温下同步整流模式中的开关能耗对比。图中数据清晰表明，CoolSiC™ MOSFET的开关能耗显著降低，这将直接减少三相高压直流PSU中PFC级和LLC级的损耗。 3结论 为满足数据中心AI应用激增的功率需求，新一轮技术竞赛已然拉开帷幕。机架和PSU的功率等级正被快速刷新：从5.5 kW到12 kW单相，再到30 kW三相。每一代跃升都在考验着数据中心运营商的极限：如何在有限的空间和电力资源内，压榨出最高的能效和利用率？应对该挑战，需要全新的机架架构和AC-DC配电方案，而基于CoolSiC和CoolGaN器件的设计方案，凭借极致的效率和功率密度，成为这一轮PSU设计的首选。 此外，新型宽禁带器件可为新拓扑实现最优性价比――如400 V CoolSiC™ MOSFET在三电平飞跨电容图腾柱PFC中的应用，以及650 V CoolGaN™ BDS在三相维也纳整流器/T型PFC中的应用。 作为全球唯一同时深耕硅、碳化硅、氮化镓三大功率技术，并拥有完整栅极驱动器IC产品组合的厂商，英飞凌能以混合技术方案支持当前及下一代平台和技术趋势。这种融合三种技术的设计思路赋予PSU设计最大的灵活性，使其能在效率、功率密度和系统成本之间实现最优平衡。同时，英飞凌持续引领技术突破，例如全球首款300 mm功率氮化镓技术[14]，将为本文所述的前瞻性设计提供更强助力。 了解更多英飞凌SiC和GaN产品，请访问：www.infineon.com/wbg 参考文献 [1]英飞凌科技股份公司：《“英”领AI》，线上媒体简报，在线获取[