技術(shù)洞察 | 英飛凌CoolSiC?和CoolGaN?產(chǎn)品，升級(jí)電源和機(jī)架架構(gòu)，滿足AI服務(wù)器的需求

前言

人工智能（AI）的迅猛發(fā)展推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心處理能力的顯著增長(zhǎng)。如圖1所示，英飛凌預(yù)測(cè)單臺(tái)GPU的功耗將呈指數(shù)級(jí)上升，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到約2000W [1] ，而AI服務(wù)器機(jī)架的峰值功耗將突破驚人的300kW。這一趨勢(shì)促使數(shù)據(jù)中心機(jī)架的AC和DC配電系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)升級(jí)，重在減少?gòu)碾娋W(wǎng)到核心設(shè)備的電力轉(zhuǎn)換和配送過(guò)程中的功率損耗。

圖2（右）展示了開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）機(jī)架供電架構(gòu)的示例。每個(gè)電源架由三相輸入供電，可容納多臺(tái)PSU；每臺(tái)PSU由單相輸入供電。機(jī)架將直流電壓（例如，50V）輸出到母線，母線則連接到IT和電池架。

AI的發(fā)展趨勢(shì)要求對(duì)PSU功率進(jìn)行革新，如圖2（左）所示。 接下來(lái)，我們將通過(guò)各代PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)建議示例，來(lái)逐步介紹這些PSU的演變。

圖1 基于x86和Arm ? 架構(gòu)的服務(wù)器CPU

與GPU和TPU的電力需求對(duì)比

圖2 AI服務(wù)器PSU的功率演變（左）；服務(wù)器機(jī)架架構(gòu)示例（右）。

AI服務(wù)器機(jī)架PSU的趨勢(shì)和功率演進(jìn)

? 第一代AI PSU：在相同的架構(gòu)下提升功率，~5.5-8kW、50V out 、277V ac 、單相

當(dāng)前的AI服務(wù)器PSU大多遵循ORv3-HPR標(biāo)準(zhǔn) [9] 。相較于先前的ORv3 3 kW標(biāo)準(zhǔn) [9] ，該標(biāo)準(zhǔn)的大部分要求（包括輸入和輸出電壓以及效率）保持不變，但增加了與AI服務(wù)器需求相關(guān)的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后詳述）。此外，由于與BBU架的通信方式有所調(diào)整，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍變得更窄。

盡管每個(gè)電源架都通過(guò)三相輸入（400-480 V ac L-L）供電（見(jiàn)圖2），但每臺(tái)PSU的輸入仍為單相（230-277 V ac ）。圖3展示了符合ORv3-HPR標(biāo)準(zhǔn)的第一代PSU的部署示例：PFC級(jí)可以采用兩個(gè)交錯(cuò)的圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，650V CoolSiC? MOSFET用于快臂開(kāi)關(guān)，600V CoolMOS? SJ MOSFET用于慢臂開(kāi)關(guān)。DC-DC級(jí)可以選用650V CoolGaN?晶體管的全橋LLC，次級(jí)全橋整流器和ORing則使用80V OptiMOS? Power MOSFET。此外，示例還展示了一個(gè)中間級(jí)，也稱“延長(zhǎng)保持時(shí)間”或“小型升壓”，其作用是減小大容量電容器的尺寸。該中間級(jí)由一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器組成，在線路周期掉電事件期間，通過(guò)儲(chǔ)能電容器放電，以調(diào)節(jié)LLC輸入電壓。在正常運(yùn)行期間，升壓轉(zhuǎn)換器保持空閑狀態(tài)，并通過(guò)低阻抗的600V CoolMOS? SJ MOSFET旁路。

圖3：第一代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及器件技術(shù)示例

? 第二代AI PSU：增加線路電壓，以實(shí)現(xiàn)更高的功率，~8-12kW、50Vout、277–347Vac、單相

如上所述，隨著機(jī)架功率增加到300kW以上，電源架的功率密度變得至關(guān)重要。 因此，下一代PSU的設(shè)計(jì)方向是，在單相架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)8kW至12kW的輸出功率。 隨著每個(gè)機(jī)架的功率增加，數(shù)據(jù)中心中的機(jī)架數(shù)量在某些情況下，可能會(huì)受配電電流額定值和損耗的約束。因此，為了降低交流配電的電流和損耗，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心可能會(huì)將機(jī)架的交流配電電壓從400/480V提高到600V ac L–L（三相），同時(shí)將PSU的輸入電壓從230/277V ac 提高到347V ac （單相）。

雖然這一變化有利于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率和資源利用，但會(huì)影響PSU的額定電壓和設(shè)計(jì)。在347V ac 的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設(shè)定在575V dc 左右，這意味著傳統(tǒng)的650V器件的額定電壓已無(wú)法滿足要求。圖4展示了一個(gè)示例：第一代PSU使用的兩電平圖騰柱PFC被替換為400V CoolSiC? MOSFET的三電平飛電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）級(jí)。多電平功率轉(zhuǎn)換概念使得在使用較低額定電壓的開(kāi)關(guān)器件的同時(shí)，支持更高的輸入電壓。憑借多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻率倍增效應(yīng)，3-L FCTP PFC能夠帶來(lái)更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC?技術(shù)針對(duì)400V的較低擊穿電壓進(jìn)行了優(yōu)化，與650V 和750V CoolSiC?參考器件相比，其FoM更為優(yōu)異（見(jiàn)圖5（左））。此外，圖5（右）顯示了導(dǎo)通電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的曲線，其中，400V CoolSiC? MOSFET的R DS(on) 100°C 僅比R DS(on) 25°C 高11%。R DS(on) 與T j 之間的這一平緩關(guān)系有助于CoolSiC? MOSFET實(shí)現(xiàn)更高的R DS(on) typ ，從而降低成本并提升開(kāi)關(guān)性能。

對(duì)于DC-DC級(jí)來(lái)說(shuō)，三相LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種理想選擇，其中，750V CoolSiC? MOSFET用于初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)，80V OptiMOS? 5 Power MOSFET用于次級(jí)全橋整流器和ORing。由于增加了第三個(gè)半橋開(kāi)關(guān)臂，該解決方案能夠提供更高的功率，有效降低輸出電流的紋波，并通過(guò)三個(gè)開(kāi)關(guān)半橋之間的固有耦合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電流分配。

圖4 第二代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

圖5 400V CoolSiC?與650V和750V CoolSiC?對(duì)比，具有更優(yōu)的開(kāi)關(guān)FoM和穩(wěn)定的R DS(on) 與結(jié)溫的關(guān)系：品質(zhì)因數(shù)（左），R DS(on) 與T j （右）

? 第三代AI PSU：三相架構(gòu)與400V配電，最高功率約為22kW，400Vout，480-600Vac，三相

為了進(jìn)一步提高機(jī)架功率，第三代AI PSU將采用更具顛覆性的機(jī)架架構(gòu)，具體如下：

• PSU輸入： 從單相轉(zhuǎn)為三相，以提高功率密度，并降低成本

• 電源架PSU輸出電壓： 從50V提升到400V，以降低母線電流、損耗和成本

圖6展示了一個(gè)三相輸入、400V輸出的PSU部署示例，以及推薦的器件和技術(shù)。PFC級(jí)采用Vienna整流器，這是一種常用于三相PFC應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢(shì)在于采用分離式總線電壓設(shè)計(jì)，因此可以使用650 V器件：通過(guò)使用雙倍數(shù)量的背靠背650V CoolSiC? MOSFET和1200V CoolSiC?二極管實(shí)現(xiàn)。PFC輸出配置為分離式電容器，每個(gè)電容器電壓為430V，并為全橋LLC轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在初級(jí)和次級(jí)側(cè)均使用650V CoolGaN?晶體管。兩個(gè)LLC級(jí)在初級(jí)側(cè)串聯(lián)，次級(jí)側(cè)并聯(lián)，以向400V母線供電。

此外，也可以將兩個(gè)背靠背的650V CoolSiC? MOSFET替換為650V CoolGaN? 雙向開(kāi)關(guān)（BDS），后者是真正的常關(guān)型單片雙向開(kāi)關(guān)。這意味著一個(gè)CoolGaN? BDS即可取代4個(gè)分立式電源開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)相同的RDS(on)，這是因?yàn)樗赗 DS(on) /mm 2 方面具備更高的芯片尺寸利用率。

圖6 第三代AI PSU的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件技術(shù)示例

WBG為 AI PSU帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

? CoolGaN?助力實(shí)現(xiàn)高峰值功率瞬變

寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體（例如，CoolGaN? [2] ）能夠在更高的開(kāi)關(guān)頻率下，實(shí)現(xiàn)最佳效率，使轉(zhuǎn)換器在不影響轉(zhuǎn)換效率的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，因此，成為AI PSU的理想選擇。

除了AI PSU的額定功率顯著增加外，GPU在運(yùn)行時(shí)還會(huì)拉動(dòng)更高的峰值功率，并產(chǎn)生高負(fù)載瞬變（見(jiàn)圖7）。因此，DC-DC級(jí)的輸出必須具有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)需確保電壓的過(guò)沖和下沖保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過(guò)提升開(kāi)關(guān)頻率，并增加控制環(huán)路帶寬，可以提高DC-DC級(jí)的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖7 AI GPU所需的AI PSU峰值功率

? 400V CoolSiC? MOSFET可在3-L飛電容圖騰柱PFC中實(shí)現(xiàn)最高效率

使用 CoolSiC? MOSFET 400V的三電平級(jí)飛跨電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高的交流輸入電壓（見(jiàn)第2.2節(jié)），且相較CoolSiC? 650V和750V參考器件，其品質(zhì)因數(shù)（FoM）更佳，因此還能提供顯著的功率密度和效率優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電感器設(shè)計(jì)（包括尺寸、材料和繞組）和3L拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的R DS(on) 選擇，結(jié)合更低的開(kāi)關(guān)損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)平緩的效率曲線： 峰值效率超過(guò)99.3%，滿載效率超過(guò)99.15% （見(jiàn)圖8）。

圖8 效率對(duì)比：3-L FCTP PFC與2-L TP PFC

結(jié)論

了滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)AI應(yīng)用的需求，新一輪技術(shù)角逐已經(jīng)啟動(dòng)，推動(dòng)了機(jī)架和PSU的電力需求大幅增長(zhǎng)。其中，AI PSU的功率需求已經(jīng)從3-5.5kW，提升到8-12kW（單相）和高達(dá)22kW（三相）。這種需求給數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，即如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的空間和電力的效率和利用率。 應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)需要采用新的機(jī)架架構(gòu)和AC-DC配電配置，使得基于CoolSiC?和CoolGaN?的設(shè)計(jì)處于PSU設(shè)計(jì)的前沿，致力于實(shí)現(xiàn)最佳效率和功率密度。

此外，新的寬禁帶器件在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中也展現(xiàn)了極佳的性價(jià)比，例如，在三電平飛跨電容圖騰柱PFC中采用400V CoolSiC? MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650V CoolGaN? BDS（詳見(jiàn)前文）。

總而言之，英飛凌的功率器件技術(shù)組合（硅、碳化硅和氮化鎵）和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品組合，通過(guò)混合應(yīng)用，為當(dāng)前和下一代平臺(tái)及趨勢(shì)的發(fā)展提供了支持。這些組合充分利用了三種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使PSU設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最佳靈活性，并在效率、功率密度和系統(tǒng)成本之間達(dá)成平衡。此外，英飛凌還率先推出了全球首項(xiàng)300毫米氮化鎵功率半導(dǎo)體等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)了文章 [10] 中所述的未來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)展。

關(guān)于作者

Sam Abdel-Rahman擁有中佛羅里達(dá)大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，效力英飛凌已十三年有余，現(xiàn)任高級(jí)首席系統(tǒng)架構(gòu)師，負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心SMPS和可再生能源應(yīng)用的應(yīng)用路線圖。Sam在功率半導(dǎo)體行業(yè)擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，專注于系統(tǒng)架構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)。