數(shù)據(jù)中心PSU，邁向12kW

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌） 隨著AI算力芯片功耗不斷提高，服務(wù)器PSU（電源供應(yīng)單元）需要在原有的空間內(nèi)，實現(xiàn)更大功率的電源輸出。PSU的功率密度要求不斷提高，在器件選型、拓撲架構(gòu)等都需要有新的改進。

最近英飛凌推出了一款12kW高功率密度AI數(shù)據(jù)中心與服務(wù)器電源（PSU）參考設(shè)計，值得關(guān)注的是，這款PSU參考設(shè)計中充分利用了Si、SiC、GaN等多種功率半導(dǎo)體產(chǎn)品，實現(xiàn)了超過98.5%的超高峰值效率。

為了實現(xiàn)這個性能，該PSU參考設(shè)計在AC/DC和 DC/DC級中均采用了先進的功率轉(zhuǎn)換拓撲。其中前端AC/DC轉(zhuǎn)換器采用三電平飛跨電容交錯式功率因數(shù)校正（PFC）拓撲，峰值效率可達 99.0% 以上，同時減少磁性元件的體積。這得益于英飛凌CoolSiC技術(shù)，令SiC MOSFET器件可以提供出色的開關(guān)性能與優(yōu)越的熱性能。

在DC/DC級則采用全橋 LLC 拓撲，通過使用兩個平面高頻變壓器及英飛凌的CoolGaN技術(shù)，達到超過 98.5%的峰值效率。這些架構(gòu)與英飛凌最新的寬禁帶技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了高達 113 瓦 / 立方英寸（W/in3）的功率密度。

這款12 kW PSU參考設(shè)計的另一項關(guān)鍵特性是雙向能量緩沖器，它被集成于整體電源供應(yīng)拓撲中。該轉(zhuǎn)換器不僅能滿足保持時間的要求，還顯著降低了電容需求。此外，能量緩沖器還具備電網(wǎng)調(diào)節(jié)功能，抑制電網(wǎng)瞬態(tài)波動和跌落產(chǎn)生的干擾，提高系統(tǒng)可靠性。
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納微半導(dǎo)體在今年5月也推出了一款專為超大規(guī)模AI數(shù)據(jù)中心設(shè)計的12kW量產(chǎn)電源參考設(shè)計，效率高達97.8%。

納微這款電源采用了納微自家的第三代Fast SiC和GaNSafe器件，以及采用了獨家的IntelliWeave數(shù)字控制技術(shù)，實現(xiàn)了極簡元件布局下的高效率以及高性能。

拓撲結(jié)構(gòu)上，采用了三相交錯TP-PFC和FB-LLC拓撲結(jié)構(gòu)。其中三相交錯TP-PFC拓撲由采用“溝槽輔助平面柵”技術(shù)的第三代快速碳化硅MOSFET驅(qū)動。這項技術(shù)在全溫域下展現(xiàn)領(lǐng)先性能，支持低溫升運行、快速開關(guān)及卓越魯棒性，可為電動汽車帶來更快的充電速度或讓AI數(shù)據(jù)中心的功率提升3倍。

三相交錯FB-LLC拓撲由第四代GaNSafe功率芯片驅(qū)動，其集成了控制、驅(qū)動、感測以及關(guān)鍵的保護功能，使其在高功率應(yīng)用中具備了前所未有的可靠性和魯棒性。作為全球氮化鎵功率芯片的安全巔峰，GaNSafe具有短路保護（最大延遲350ns）、所有引腳均有2kV HBM ESD保護、消除負柵極驅(qū)動并具備可編程的斜率控制。所有這些功能都可通過芯片4個引腳實現(xiàn)，使得封裝可以像一個分離的氮化鎵FET一樣被處理，無需額外的VCC引腳。650V的GaNSafe提供TOLL與TOLT封裝，適用于1kW至22kW的應(yīng)用場景，RDS (ON)典型值范圍為18mΩ至70mΩ。

納微IntelliWeave數(shù)字控制技術(shù)融合臨界導(dǎo)通模式（CrCM）與連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）混合控制策略，覆蓋輕載至滿載的全工況，在保持低元件數(shù)量簡潔設(shè)計的同時實現(xiàn)效率最大化，相較現(xiàn)有CCM方案的功率損耗降低 30%。

這款電源的尺寸為790×73.5×40mm，輸入電壓范圍180–305VAC，輸出最高電壓為50VDC。當輸入電壓高于207VAC時輸出12kW功率，低于該閾值時輸出10kW。其配備主動均流功能及過流、過壓、欠壓、過熱保護機制，可在-5至45℃溫度范圍內(nèi)正常運行，12kW負載下保持時間達20ms，浪涌電流為穩(wěn)態(tài)電流3倍（持續(xù)時間<20ms），采用內(nèi)部風扇散熱。

小結(jié)：

隨著服務(wù)器PSU的功率達到12kW甚至更高的水平，可以看到目前的電源方案已經(jīng)不僅限于使用一種類型的功率器件，而是在不同的部分按需選擇Si、SiC、GaN等不同材料的器件，以實現(xiàn)功率密度以及轉(zhuǎn)換效率的極致。