新架构和 AC-DC 配电配置正在增加对数据中心机架和 PSU 电源的需求，从而需要更多的处理能力。本文探讨了一些减少转换和配电功率损耗的替代方案。
人工智能的兴起使得数据中心的处理能力必须大幅增长。如图 1 所示，英飞凌预测单个 GPU 的功耗将呈指数级增长，到 2030 年将达到约 2000 W，而 AI 服务器机架的峰值将达到惊人的 >300 kW。这些要求对数据中心机架的 AC 和 DC 配电系统进行新的架构更改，重点是减少从电网到核心的转换和配电功率损耗。
图 1. x86 和基于 Arm 的服务器 CPU 与 GPU 和 TPU 的电力需求比较。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
图 2（b）显示了开放计算项目 (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 PSU；每个 PSU 由单相输入供电。机架向母线输出直流电压（例如 50 V），母线还连接到 IT 和电池架。
AI 趋势要求 PSU 进行功率演进，如图 2（a）所示。让我们通过实施拓扑和设备技术建议的示例来介绍这些 PSU 的每一个代。
(a)
(b)
图 2. AI 服务器 PSU 的功率演变 (a)。服务器机架架构示例 (b)。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
AI 服务器机架 PSU 的趋势和功率演进
第一代 AI PSU：在相同架构下增加功率，~5.5–8 kW、50 Vout、277 Vac、单相
目前一代 AI 服务器的 PSU 大多遵循 ORv3-HPR 标准。在此标准中，与之前的 ORv3 3 kW 规范相比，大多数规范（包括输入和输出电压以及效率）保持不变。但是，它更新了与 AI 服务器要求相关的规范，例如更高的功率和峰值功率要求（稍后介绍）以及由于与 BBU 架的通信修改而导致的更窄的输出电压调节。
尽管每个电源架都由三相输入 (400–480 Vac L-L) 供电，如图 2 所示，但每个 PSU 的输入都是单相 (230–277 Vac)。图 3 显示了符合 ORv3-HPR 规范的第一代 PSU 的示例实现：PFC 级可以是两个交错的图腾柱，使用 650 V CoolSiC MOSFET 作为快速支路，使用 600 V CoolMOS SJ MOSFET 作为慢速支路。DC-DC 级可以是使用 650 V CoolGaN 晶体管的全桥 LLC，而次级全桥整流器和 ORing 则使用 OptiMOS 功率 MOSFET 80 V。此示例中还显示了中间级，称为“保持时间延长”或“baby boost,”，其功能是减小大容量电容器的尺寸。它由一个升压转换器组成，该转换器放电储能电容器以在线路周期掉电事件期间调节 LLC 输入电压。在正常运行期间，此升压转换器处于空闲状态，并由低欧姆 600 V CoolMOS SJ MOSFET 旁路。
图 3. 第一代 AI PSU 拓扑和设备技术示例。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
图 4. 第二代 AI PSU 拓扑和设备技术示例。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
第二代 AI PSU
增加线电压，功率更高，约为 8–12 kW、50 Vout、277–347 Vac、单相
随着上述机架功率增加到 300 kW 以上，电源架的密度变得至关重要。因此，下一代 PSU 将朝着单相架构的 8 kW 和高达 12 kW 的方向发展。由于每个机架的功率更高，数据中心中的机架数量在某些情况下可能会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 V 增加到 600 Vac L–L（三相），其中 PSU 输入电压从 230/277 Vac 增加到 347 Vac（单相）。
虽然这种变化有利于数据中心的运行和利用，但它会影响 PSU 的电压额定值和设计。在 347 Vac 输入下，PFC 输出必须设置为 ~575 Vdc，这意味着 650 V 设备的电压额定值不足。图 4 显示了一个示例实现：第一代 PSU 中讨论的两级图腾柱 PFC 可以用使用 CoolSiC MOSFET 400 V 的三级飞帽图腾柱 PFC（3-L FCTP PFC）级代替。多级电源转换的概念允许在使用电压额定值较低的开关时获得更高的输入电压。由于多级拓扑的频率倍增效应，3-L FCTP PFC 提供了更高的效率和功率密度优势。最重要的是，优化 CoolSiC 技术以实现 400 V 的较低击穿电压，与 CoolSiC 650 V 和 750 V 参考设备相比，可获得出色的 FoM，如图 5（a）所示。此外，图 5（b）显示了整个温度范围内的导通电阻图，表明 CoolSiC MOSFET 400 V 的 RDS(on) 100°C 仅比 RDS(on) 25°C 高 11%。这种平坦的 RDS(on) 与 Tj 特性的好处是，它使 CoolSiC MOSFET 具有更高的 RDS(on) 典型值，从而降低成本并提高开关性能。
(a)
(b)
图 5. CoolSiC 400 V 与 650 V 和 750 V 相比，开关 FoM 得到改善，RDS(on) 对结温的依赖性保持稳定：品质因数 (a)、RDS(on) 与 Tj (b)。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
三相 LLC 拓扑结构是 DC-DC 级的不错选择，其中 CoolSiC MOSFET 750 V 用于初级侧开关，OptiMOS 5 功率 MOSFET 80 V 用于次级全桥整流器和 ORing。由于第三个半桥开关支路，该解决方案可以提供更高的功率，为三个开关半桥之间的固有耦合提供输出电流纹波消除和自动电流共享。
第三代 AI PSU
三相架构和 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 将采用更具颠覆性的机架架构，如下所示：
PSU 输入从单相变为三相，以提高密度和成本
电源架 PSU 输出电压从 50 V 增加到 400 V，以降低母线电流、损耗和成本
图 6 显示了三相输入和 400 V 输出 PSU 的示例实现，其中包含推荐的设备和技术。PFC 级是 Vienna 转换器，这是三相 PFC 应用的流行拓扑。它的主要优势在于，由于其分离总线电压，它允许使用 650 V 设备，使用两倍数量的背对背 CoolSiC MOSFET 650 V 和 CoolSiC 1200 V 二极管。由于 PFC 输出是分离电容器，因此每个电容器电压为 430 V，并向全桥 LLC 转换器供电，初级和次级侧均配备 CoolGaN 晶体管 650 V。两个 LLC 级在初级侧串联，在次级侧并联，以向 400 V 母线供电。
图 6. 第三代 AI PSU 拓扑和设备技术示例。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
或者，两个背靠背的 CoolSiC MOSFET 650 V 可以用 CoolGaN 双向开关 (BDS) 650 V 代替，后者是真正的常闭单片双向开关。这意味着单个 CoolGaN BDS 可以取代四个分立电源开关，以获得相同的 RDS(on)，因为它在 RDS(on)/mm2 方面具有高效的芯片尺寸利用率。
WBG 对 AI PSU 的好处
宽带隙 (WBG) 半导体（例如 CoolGaN）成为 AI 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，从而实现更高功率密度的转换器，而不会影响转换效率。
除了 AI PSU 的标称功率显著上升外，GPU 还会吸收更高的峰值功率并产生高负载瞬变，如图 7 所示。因此，DC-DC 级输出必须足够动态，而电压过冲和下冲必须保持在规定的限值内。可以通过提高开关频率来增加 DC-DC 级输出动态，从而增加控制环路带宽。
图 7. AI GPU 所需的 AI PSU 峰值功率。图片由 Bodo’s Power Systems 提供
CoolGaN 器件因其卓越的 FoM 和 Si、SiC 和 GaN 器件中最低的开关损耗而轻松满足了更高开关频率的要求。尤其是在软开关 LLC 转换器中，CoolGaN 具有最低的输出电容电荷 (Qoss)，这对于更轻松地实现 ZVS（零电压开关）起着至关重要的作用。随后，这有助于更精确地设置死区时间，从而消除不必要的死区时间传导损耗。
3-L 飞电容图腾柱 PFC
使用 CoolSiC MOSFET 400 V 的三级飞电容图腾柱 PFC (3-L FCTP PFC) 不仅允许更高的交流输入电压，而且由于与 CoolSiC 650 V 和 750 V 参考器件相比具有出色的性能系数 (FoM)，因此具有更高的密度和效率优势。优化的电感器设计（尺寸、材料和绕组）和 3L 拓扑中的 RDS(on) 选择以及降低的开关损耗有助于实现平坦的效率曲线，峰值效率 >99.3%，满载效率 >99.15%，如图 8 所示。
图 8. 效率比较：3-L FCTP PFC 与 2-L TP PFC。图片由 Bodo’s Power Systems提供
总结
为满足数据中心 AI 应用需求而部署新技术的竞赛已经开始，机架和 PSU 的电力需求激增。AI PSU 的电力需求从 3-5.5 kW 增长到 8-12 kW 单相和高达 22 kW 三相。这种需求对数据中心运营商提出了挑战，要求他们优化数据中心空间和可用电力的效率和利用率。应对这些挑战需要新的机架架构和 AC-DC 配电配置，将基于 CoolSiC 和 CoolGaN 的设计定位在 PSU 设计的最前沿，以实现最佳效率和功率密度。
此外，新的 WBG 设备可以为新拓扑实现最佳性价比，正如在 3 级flying-cap图腾柱 PFC 中使用 CoolSiC MOSFET 400 V 或在三相维也纳 PFC 中使用 CoolGaN BDS 650 V 所解释的那样。
原文链接：https://eepower.com/technical-articles/meeting-ai-demands-with-sic-and-gan-power-supplies/#
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