2026-01-02
图1：基在x86及Arm 架构的办事器CPU与GPU及TPU的电力需求对于比 图2（右）展示了开放计较项目（OCP）机架供电架构的示例。每一个电源架由三相输入供电，可容纳多台PSU；每一台PSU由单相输入供电。机架将直流电压（例如，50 V）输出到母线，母线则毗连到IT及电池架。 AI的成长趋向要求对于PSU功率举行改造，如图2（左）所示。接下来，咱们将经由过程各代PSU的拓扑布局及器件技能建议示例，来慢慢先容这些PSU的蜕变。 
图2 ：AI办事器PSU的功率蜕变（左）；办事器机架架构示例（右） AI办事器机架PSU的趋向及功率演进 第一代AI PSU：于不异的架构下晋升功率，~5.5-8 kW、50 Vout、277 Vac、单相 当前的AI办事器PSU年夜多遵照ORv3-HPR尺度[9]。相较在先前的ORv3 3 kW尺度[9]，该尺度的年夜部门要求（包括输入及输出电压以和效率）连结稳定，但增长了与AI办事器需求相干的更新，例如，更高的功率及峰值功率要求（稍后胪陈）。此外，因为与BBU架的通讯方式有所调解，输出电压的调治规模变患上更窄。 只管每一个电源架都经由过程三相输入（400-480 Vac L-L）供电（见图2），但每一台PSU的输入仍为单相（230-277 Vac）。图3展示了切合ORv3-HPR尺度的第一代PSU的部署示例：PFC级可以采用两个交错的图腾柱拓扑布局，此中，650 V CoolSiCTM MOSFET用在快臂开关，600 V CoolMOSTM SJ MOSFET用在慢臂开关。DC-DC级可以选用650 V CoolGaNTM晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器及ORing则利用80 V OptiMOSTM Power MOSFET。此外，示例还有展示了一个中间级，也称“延伸连结时间”或者“小型升压”，其作用是减小年夜容量电容器的尺寸。该中间级由一个升压转换器构成，于路线周期失电事务时期，经由过程储能电容器放电，以调治LLC输入电压。于正常运行时期，升压转换器连结余暇状况，并经由过程低阻抗的600 V CoolMOSTM SJ MOSFET旁路。 
图3：第一代AI PSU的拓扑布局和器件技能示例 第二代AI PSU：增长路线电压，以实现更高的功率，~8-12 kW、50 Vout、277–347 Vac、单相 如上所述，跟着机架功率增长到300 kW以上，电源架的功率密度变患上至关主要。是以，下一代PSU的设计标的目的是，于单相架构中实现8 kW至12 kW的输出功率。跟着每一个机架的功率增长，数据中央中的机架数目于某些环境下，可能会受配电电流额定值及损耗的约束。是以，为了降低交流配电的电流及损耗，部门数据中央可能会将机架的交流配电电压从400/480 V提高到600 Vac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277 Vac提高到 347 Vac（单相）。 虽然这一变化有益在数据中央的运行效率及资源使用，但会影响PSU的额定电压及设计。于347 Vac的输入电压下，PFC的输出电压必需设定于575 Vdc摆布，这象征着传统的650 V器件的额定电压已经没法满意要求。图4展示了一个示例：第一代 PSU利用的两电平图腾柱PFC被替代为400 V CoolSiCTM MOSFET 的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转换观点使患上于利用较低额定电压的开关器件的同时，撑持更高的输入电压。依附多电平拓扑布局的频率倍增效应，3-L FCTP PFC可以或许带来更高的效率及功率密度。最主要的是，CoolSiCTM技能针对于400 V的较低击穿电压举行了优化，与650 V 及 750 V CoolSiCTM参考器件比拟，其FoM更为优秀（见图5（左））。此外，图5（右）显示了导通电阻于整个温度规模内的曲线，此中，400 V CoolSiCTM MOSFET的RDS(on) 100°C仅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)与Tj之间的这一平缓瓜葛有助在CoolSiCTM MOSFET实现更高的RDS(on) typ，从而降低成本并晋升开关机能。 
图4：第二代AI PSU的拓扑布局及器件技能示例 
图5：400 V CoolSiCTM与650 V及750 V CoolSiCTM对于比，具备更优的开关 FoM及不变的RDS(on)与结温的瓜葛：品质因数（左），RDS(on)与Tj（右） 对于在DC-DC级来讲，三相LLC拓扑布局是一种抱负选择，此中，750 V CoolSiCTM MOSFET用在低级侧开关，80 V OptiMOSTM 5 Power MOSFET用在次级全桥整流器及ORing。因为增长了第三个半桥开关臂，该解决方案可以或许提供更高的功率，有用降低输出电流的纹波，并经由过程三个开关半桥之间的固有耦合实现主动电流分配。 第三代AI PSU：三相架构与400 V配电，最高功率约为22 kW，400 Vout，480-600 Vac，三相 为了进一步提高机架功率，第三代AI PSU将采用更具倾覆性的机架架构，详细以下： PSU输入：从单相转为三相，以提高功率密度，并降低成本 电源架PSU输出电压：从50 V晋升到400 V，以降低母线电流、损耗及成本 图6展示了一个三相输入、400 V输出的PSU部署示例，以和保举的器件及技能。PFC级采用Vienna整流器，这是一种经常使用在三相PFC运用的拓扑布局。其重要上风于在采用分散式总线电压设计，是以可使用650 V器件：经由过程利用双倍数目的违靠违650 V CoolSiCTM MOSFET及 1200 V CoolSiCTM二极管实现。PFC输出配置为分散式电容器，每一个电容器电压为430 V，并为全桥LLC转换器供电，该转换器于低级及次级侧均利用650 V CoolGaNTM晶体管。两个LLC级于低级侧串联，次级侧并联，以向400 V母线供电。 此外，也能够将两个违靠违的650 V CoolSiCTM MOSFET替代为650 V CoolGaNTM 双向开关（BDS），后者是真实的常关型单片双向开关。这象征着一个CoolGaNTM BDS便可代替4个分立式电源开关，以实现不异的RDS(on)，这是由于它于RDS(on)/妹妹2方面具有更高的芯片尺寸使用率。 
图6：第三代AI PSU的拓扑布局及器件技能示例 WBG为 AI PSU带来的上风 CoolGaNTM助力实现岑岭值功率瞬变 宽禁带（WBG）半导体（例如，CoolGaNTM[2]）可以或许于更高的开关频率下，实现最好效率，使转换器于不影响转换效率的条件下，实现更高的功率密度，是以，成为AI PSU的抱负选择。 除了了AI PSU的额定功率显著增长外，GPU于运行时还有会拉动更高的峰值功率，并孕育发生高负载瞬变（见图7）。是以，DC-DC级的输出必需具备充足的动态相应能力，同时需确保电压的过冲及下冲连结于划定的规模内。经由过程晋升开关频率，并增长节制环路带宽，可以提高DC-DC级的输出动态相应能力。 
图7：AI GPU所需的AI PSU峰值功率 400 V CoolSiCTM MOSFET可于3-L飞电容图腾柱PFC中实现最高效率 利用 CoolSiCTM MOSFET 400 V的三电平级飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）不仅可以或许实现更高的交流输入电压（见第2.2节），且相较CoolSiCTM 650 V及750 V参考器件，其品质因数（FoM）更佳，是以还有能提供显著的功率密度及效率上风。颠末优化的电感器设计（包括尺寸、质料及绕组）及3L拓扑布局中的RDS(on)选择，联合更低的开关损耗，可以或许实现平缓的效率曲线：峰值效率跨越99.3%，满载效率跨越99.15%（见图8）。 
图8：效率对于比：3-L FCTP PFC与2-L TP PFC 为了满意数据中央对于AI运用的需求，新一轮技能比赛已经经启动，鞭策了机架及PSU的电力需求年夜幅增加。此中，AI PSU的功率需求已经经从3-5.5 kW，晋升到8-12 kW（单相）及高达22 kW（三相）。这类需求给数据中央运营商带来了新的挑战，即怎样优化数据中央的空间及电力的效率及使用率。应答这些挑战需要采用新的机架架谈判AC-DC配电配置，使患上基在CoolSiCTM及CoolGaNTM的设计处在PSU设计的前沿，致力在实现最好效率及功率密度。 此外，新的宽禁带器件于新型拓扑布局中也揭示了极佳的性价比，例如，于三电平飞跨电容图腾柱PFC中采用400 V CoolSiCTM MOSFET，或者于三相Vienna PFC中利用650 V CoolGaNTM BDS（详见前文）。 总而言之，英飞凌的功率器件技能组合（硅、碳化硅及氮化镓）及颠末优化的栅极驱动IC产物组合，经由过程混淆运用，为当前及下一代平台和趋向的成长提供了撑持。这些组合充实使用了三种技能的上风，使PSU设计实现了最好矫捷性，并于效率、功率密度及体系成本之间告竣均衡。此外，英飞凌还有率先推出了全世界首项300毫米氮化镓功率半导体等进步前辈技能，进一步鞭策了文章[10]中所述的将来设计成长。 点击或者扫描二维码，便可相识有关英飞凌硅基、碳化硅基及氮化镓基产物的更多信息。 https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/ 参考文献 [1] Infineon Technologies AG: We power AI, Online Media Briefing; https://www.infineon.com/dgdl/Online-Media-Briefing-We-Power-AI.pdf?fileId=8ac78c8b901005350190112f55a20002 [2] Infineon Technologies AG: Wide Bandgap Semiconductors (SiC/GaN); https://www.infineon.com/cms/en/product/technology/wide-bandgap-semiconductors-sic-gan/ [3] Infineon Technologies AG: GaN transistors (GaN HEMTs); https://www.infineon.com/gan [4] Infineon Technologies AG: Silicon Carbide MOSFET Discretes; https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/silicon-carbide/discretes/ [5] Infineon Technologies AG: Server and data center 3 kW 50 V PSU – Engineering report; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Evaluation_board_EVAL_3KW_50V_PSU-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46278d64ffd0178f986be9e08a7 [6] Infineon Technologies AG: 3300 W CCM bidirectional totem pole with 650 V CoolSiC™ and XMC™– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Evaluationboard_EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626fc1ce0b016fc2ae66e20040 Infineon Technologies AG: 3.3 kW high-frequency and high-density PSU for server and datacenter applications; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-3.3_kW_high-frequency_and_high-density_PSU_for_server_and_datacenter_applications-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c90530b3a0190779314d375eb [7] Infineon Technologies AG: CoolSiC™ totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Application_note_CoolSiC_Totem_Pole_PFC_Design_and_Power_Loss_Modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c85ecb34701865a064ec24076 [8] Infineon Technologies AG: CoolGaN™ totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Design_guide_Gallium_Nitride-CoolGaN_totem-pole_PFC_power_loss_modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626d82c047016d95daec4a769a [9] Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard; https://www.opencompute.org/wiki/Open_Rack/SpecsAndDesigns [10] Infineon Technologies AG: Infineon pioneers world's first 300 妹妹 power gallium nitride (GaN) technology – an industry game-changer; https://www.infineon.com/cms/en/about-infineon/press/press-releases/2024/INFXX202409-142.html [11] Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions; https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/ 欲知详情，请下载word文档 
下载文档 来历：英飞凌
作者：Sam Abdel-Rahman 英飞凌科技电源与传感体系事业部 高级首席体系架构师
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