电源和机架架构的演进_适配AI服务器需求_12页_1mb

报告摘要

英飞凌 CoolSiC™ 和 CoolGaN™ 在 AI 服务器 PSU 架构演进中的应用总结

核心内容

本文探讨了随着 AI 应用的快速发展，数据中心服务器机架和电源系统（PSU）的架构演进趋势，以及英飞凌 CoolSiC™ 和 CoolGaN™ 宽禁带半导体技术在实现更高功率密度和能效方面的价值。文章分析了从第一代到第二代 PSU 架构的演进路径，并提供了相应的器件选型建议和电路拓扑设计。

主要观点

AI 服务器功率需求激增
- 随着 AI 应用的发展，单机架功率从 12 kW 提升至 30 kW，甚至未来将达到 600 kW - 1.3 MW。
- 传统单相 PSU 架构无法满足日益增长的功率需求，促使数据中心采用三相高压直流（HVDC）架构。
架构演进路径
- 第一代架构：采用单相输入，输出为 50 V 直流，每个 PSU 模块功率为 5.5 - 12 kW，通过集成多个 PSU 模块提升单机架总功率。
- 第二代架构：引入电源侧柜（Power Sidecar），采用三相输入（400-480 V AC）和 HVDC 输出（±400 V / 800 V DC），单个 PSU 模块功率可达 18-30 kW，实现更高功率密度和效率。
技术演进需求
- 为了满足 AI 负载的高动态功率需求，PSU 必须具备更高的开关频率和更低的开关损耗。
- 需要优化电路拓扑以适应不同功率等级和电压需求，同时兼顾系统成本和效率。

关键信息

第一代 AI PSU（单相输入，50 V 输出）

功率范围：5.5 kW - 12 kW
输入电压：230 - 277 V AC，单相
输出电压：50 V DC
PFC 级：
- 采用两电平图腾柱拓扑或三电平飞跨电容图腾柱（3-L FCTP PFC）
- 快管使用 650 V CoolSiC™ MOSFET，慢管使用 600 V CoolMOS™ MOSFET
- 三电平方案使用 400 V CoolSiC™ MOSFET，可实现更高效率和功率密度
DC-DC 级：
- LLC 拓扑可采用半桥、全桥或三相 LLC
- 次级侧使用 80 V OptiMOS™ 或 CoolGaN™ 晶体管
- 可实现 99.15% 以上的满载效率，峰值效率可达 99.35%

第二代 AI PSU（三相输入，HVDC 输出）

功率范围：18 kW - 30 kW
输入电压：400 - 480 V AC，三相
输出电压：±400 V / 800 V DC
PFC 级：
- 采用维也纳整流器或 T 型拓扑
- 输入桥臂使用 1.2 kV CoolSiC™ MOSFET/二极管
- 可选用 650 V CoolGaN™ 双向开关（BDS）替代背靠背结构，提升效率
DC-DC 级：
- LLC 拓扑可配置为交错并联或级联形式
- 原边开关使用 650 V 或 1200 V CoolSiC™ MOSFET
- 副边同步整流使用 650 V CoolSiC™ 或 CoolGaN™ MOSFET
- 可实现超高能效（PFC 和 LLC 级的损耗显著降低）

器件技术选型建议

CoolGaN™：
- 用于 DC-DC 级的高频 LLC 拓扑，支持动态峰值功率瞬态响应
- 具有更低的开关损耗和更优的优值（FoM），可实现更高功率密度
- 适用于 650 V 双向开关（BDS）设计，减少器件数量并优化性能
CoolSiC™ MOSFET：
- 400 V 型用于三电平飞跨电容图腾柱 PFC，实现更高效率
- 650 V 和 1200 V 型用于三相 HVDC PSU 的 PFC 和 DC-DC 级，支持高电压和大电流应用
- 具有更优的导通电阻 - 结温特性，有助于降低系统损耗并提高稳定性

结论

随着 AI 服务器功率需求的持续增长，数据中心架构正从单相 PSU 向三相 HVDC 架构演进。
宽禁带半导体技术（如 CoolSiC™ 和 CoolGaN™）在提升 PSU 能效、功率密度和动态响应方面展现出显著优势。
英飞凌凭借其在硅、碳化硅和氮化镓技术上的全面布局，能够为当前及未来 AI 服务器 PSU 提供最优的混合技术方案，实现效率、功率密度与成本之间的最佳平衡。

参考文献

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