人工智能的崛起迫使数据中心的处理能力快速增长。如图1所示，英飞凌预测，单个GPU的功耗将在2030年前呈指数级上升，达到约2000瓦，而AI服务器机架的功率峰值将达到惊人的300千瓦以上。这要求数据中心机架的交流和直流配电系统进行新的架构变更，重点是减少从电网到核心的转换和配电功耗损失。图2(右)展示了开放计算项目(OCP)机架电源架构的示例图。每个电源架由三相输入供电，并容纳多个电源单元(PSU);每个PSU由单相输入供电。机架向汇流排输出直流电压(例如50伏)，该汇流排还连接到IT和电池架。人工智能趋势要求电源单元的电源演变，如图2(左)所示。接下来，我们将逐一介绍这些PSU世代的实施拓扑及设备技术建议。人工智能服务器机架电源单元的趋势与电源演变第一代人工智能PSU：在相同架构下功率增加，约5.5–8千瓦，50伏输出，277伏交流，单相当前的AI服务器电源单元大多遵循ORv3-HPR标准。在此标准中，大多数规范，包括输入和输出电压及效率，与前一代ORv33千瓦规格相比没有变化。然而，它更新了与AI服务器需求相关的规范，例如更高的功率和峰值功率要求(后面会描述)以及由于与BBU架的通信修改而导致的输出电压调节范围更窄。如图2所示，尽管每个电源架由三相输入(400–480伏交流)供电，然而每个PSU的输入为单相(230–277伏交流)。图3展示了第一代PSU满足ORv3-HPR规格的实施示例：PFC阶段可以是两个交错的塔式电流源，使用CoolSiC MOSFETs 650伏作为快速支路，同时使用600伏的CoolMOS SJ MOSFETs作为慢支路。DC-DC阶段可以是一个全桥LLC，使用CoolGaN晶体管650伏，而次级全桥整流器和ORing使用OptiMOS功率MOSFETs 80伏。此外，这个示例中还展示了中间阶段，称为“保持时间延长”或“婴儿提升”，其功能是减少电解电容的体积。它由一个提升转换器组成，用于在电源线周期掉电事件中释放储能电容的能量，以调节LLC输入电压。在正常运行期间，这个提升转换器处于非工作状态，并通过一个低欧姆的600伏CoolMOS SJ MOSFET旁路。图1图1a图2图3图4第二代人工智能PSU提高线路电压以达到约8–12千瓦的更高功率，50伏输出，277–347伏交流，单相。随着机架功率增加到超过300千瓦，电源架的密度变得至关重要。因此，下一代的电源单元将采用单相架构，功率达到8千瓦甚至12千瓦。由于每个机架的功率更高，数据中心中的机架数量可能在某些情况下受到配电电流额定值和损耗的限制。因此，为了减少交流配电电流和损耗，一些数据中心可能会将机架的交流配电电压从400/480伏提高到600伏交流(三级)，而PSU的输入电压则从230/277伏提高到347伏(单相)。虽然这一变化可以使数据中心的运营和利用率受益，但也可能影响PSU的电压额定值和设计。在347伏交流输入下，PFC输出必须设置为约575伏直流，这意味着650伏器件的电压额定值不足。图4展示了一个示例实现：第一代PSU中讨论的两级塔式PFC可以被一个三级飞行电容塔式PFC(3-L FCTP PFC)阶段替代，使用CoolSiC MOSFETs 400伏。多级电源转换的概念允许使用电压额定较低的开关来支持更高的输入电压。3-L FCTP PFC由于多级拓扑的频率倍增效应，提供了更高的效率和功率密度优势。最重要的是，优化CoolSiC技术以降低400伏的击穿电压，导致其与CoolSiC 650伏和750伏参考器件相比，表现出色的优选指标(FoM)，如图5(左)所示。此外，图5(右)展示了在不同温度范围内导通电阻的变化，显示CoolSiC MOSFET 400伏在100°C时的RDS(on)仅比25°C时高出11%。这种平坦的RDS(on)与Tj特性，使CoolSiC MOSFETs能够具有更高的RDS(on)典型值，从而实现更好的成本和开关性能。图5a图5b三级LLC拓扑是DC-DC阶段的良好选择，使用CoolSiC MOSFETs 750伏作为初级开关，OptiMOS 5功率MOSFETs 80伏作为次级全桥整流器和ORing。这种解决方案能够提供更高的功率，因为第三个半桥开关支路可以实现输出电流纹波消除和自动电流共享，由于三者之间的固有耦合。第三代人工智能PSU三级架构和400伏配电以实现约22千瓦的更高功率，400伏输出，480–600伏交流三相。为了进一步增加机架功率，第三代人工智能PSU将具有更具颠覆性的机架架构，如下所示：· PSU输入从单相变更为三相，以提高密度和降低成本;· 电源架PSU输出电压从50伏提高到400伏，以减少汇流排电流、损耗和成本。图6展示了一个三相输入和400伏输出PSU的示例实施，推荐使用的器件和技术。PFC阶段是维也纳变换器，这是一种流行的三相PFC应用拓扑。其主要优点是允许使用650伏器件，因为它采用了分裂总线电压，使用两倍数量的反向CoolSiC MOSFETs 650伏和CoolSiC 1200伏二极管。由于PFC输出是分裂电容，每个电容电压为430伏，并为全桥LLC转换器提供CoolGaN晶体管650伏的初级和次级。两个LLC阶段在初级侧串联连接，在次级侧并联连接，以供电400伏汇流排。图6另外，两个反向CoolSiC MOSFETs 650伏可以被CoolGaN双向开关(BDS)650伏替代，这是一种真正的常闭单片双向开关。这意味着单个CoolGaN BDS可以替代四个离散功率开关，从而在同样的RDS(on)下实现更高的芯片利用效率。宽禁带(WBG)器件对人工智能PSU的优势宽禁带(WBG)半导体，例如CoolGaN，成为人工智能PSU的最佳选择，因为它们在更高的开关频率下提供最佳效率，使得在不损失转换效率的情况下实现更高功率密度的转换器。除了人工智能PSU显著的额定功率增长外，GPU的峰值功率也随之增加，并且产生高负载瞬态，如图7所示。因此，DC-DC阶段的输出必须足够动态，同时电压的过冲和欠冲必须保持在规定范围内。通过提高开关频率可以增强DC-DC阶段的输出动态，从而增加控制环路的带宽。图7由于其优越的FoM和在Si、SiC和GaN器件中最低的开关损耗，CoolGaN器件轻松满足更高开关频率的要求。特别是在软开关LLC转换器中，CoolGaN具有最低的输出电容充电量(Qoss)，这在更容易实现零电压开关(ZVS)方面起着重要作用。随后，这使得更精确的死区时间设置成为可能，从而消除不必要的死区导通损耗。三级飞行电容塔式PFC使用CoolSiC MOSFETs 400伏的三级飞行电容塔式PFC(3-L FCTP PFC)不仅允许更高的交流输入电压，如第2.2节所述，而且由于与CoolSiC 650伏和750伏参考器件相比，提供更高的密度和效率优势，具有优秀的优选指标(FoM)。优化的电感设计(尺寸、材料和绕制)以及在3L拓扑中选择低开关损耗的RDS(on)有助于实现平坦的效率曲线，峰值效率超过99.3%，全负载效率超过99.15%，如图8所示。图8总结满足数据中心中AI应用需求的新技术部署竞争已经开始，导致机架和PSU功率需求激增。AI PSU的功率需求正从3-5.5千瓦增长到8-12千瓦的单相和高达22千瓦的三相。这一需求使得数据中心运营商在优化数据中心空间和可用电力的效率和利用率方面面临挑战。应对这些挑战促使新的机架架构和AC-DC配电配置的出现，使基于CoolSiC和CoolGaN的设计在PSU设计中处于最佳效率和功率密度的前沿。