升級電源和機架架構，滿(mǎn)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)了數據中心處理能力的顯著(zhù)增長(cháng)。如圖1所示，英飛凌預測單臺GPU的功耗將呈指數級上升，預計到2030年將達到約2000 W ^[1]，而AI服務(wù)器機架的峰值功耗將突破驚人的300 kW。這一趨勢促使數據中心機架的AC和DC配電系統進(jìn)行架構升級，重在減少從電網(wǎng)到核心設備的電力轉換和配送過(guò)程中的功率損耗。

圖1 基于x86和Arm^?架構的服務(wù)器CPU與GPU和TPU的電力需求對比

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

AI的發(fā)展趨勢要求對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的拓撲結構和器件技術(shù)建議示例，來(lái)逐步介紹這些PSU的演變。

圖2  AI服務(wù)器PSU的功率演變（上）；服務(wù)器機架架構示例（下）

AI服務(wù)器機架PSU的趨勢和功率演進(jìn)

第一代AI PSU：在相同的架構下提升功率，~5.5-8 kW、50 V_out、277 V_ac、單相

當前的AI服務(wù)器PSU大多遵循ORv3-HPR標準^[9]。相較于先前的ORv3 3 kW標準^[9]，該標準的大部分要求（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整，輸出電壓的調節范圍變得更窄。

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PSU的輸入仍為單相（230-277 V_ac）。圖3展示了符合ORv3-HPR標準的第一代PSU的部署示例：PFC級可以采用兩個(gè)交錯的圖騰柱拓撲結構，其中，650 V CoolSiC^TM MOSFET用于快臂開(kāi)關(guān)，600 V CoolMOS^TM SJ MOSFET用于慢臂開(kāi)關(guān)。DC-DC級可以選用650 V CoolGaN^TM晶體管的全橋LLC，次級全橋整流器和ORing則使用80 V OptiMOS^TM Power MOSFET。此外，示例還展示了一個(gè)中間級，也稱(chēng)“延長(cháng)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。該中間級由一個(gè)升壓轉換器組成，在線(xiàn)路周期掉電事件期間，通過(guò)儲能電容器放電，以調節LLC輸入電壓。在正常運行期間，升壓轉換器保持空閑狀態(tài)，并通過(guò)低阻抗的600 V CoolMOS^TM SJ MOSFET旁路。

圖3 第一代AI PSU的拓撲結構及器件技術(shù)示例

第二代AI PSU：增加線(xiàn)路電壓，以實(shí)現更高的功率，~8-12 kW、50 V_out、277–347 V_ac、單相

如上所述，隨著(zhù)機架功率增加到300 kW以上，電源架的功率密度變得至關(guān)重要。因此，下一代PSU的設計方向是，在單相架構中實(shí)現8 kW至12 kW的輸出功率。隨著(zhù)每個(gè)機架的功率增加，數據中心中的機架數量在某些情況下，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，部分數據中心可能會(huì )將機架的交流配電電壓從400/480 V提高到600 V_ac L–L（三相），同時(shí)將PSU的輸入電壓從230/277 V_ac提高到 347 V_ac（單相）。

雖然這一變化有利于數據中心的運行效率和資源利用，但會(huì )影響PSU的額定電壓和設計。在347 V_ac的輸入電壓下，PFC的輸出電壓必須設定在575 Vdc左右，這意味著(zhù)傳統的650 V器件的額定電壓已無(wú)法滿(mǎn)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400 V CoolSiC^TM MOSFET 的三電平飛電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）級。多電平功率轉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。憑借多電平拓撲結構的頻率倍增效應，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^TM技術(shù)針對400 V的較低擊穿電壓進(jìn)行了優(yōu)化，與650 V 和 750 V CoolSiC^TM參考器件相比，其FoM更為優(yōu)異（見(jiàn)圖5（左））。此外，圖5（右）顯示了導通電阻在整個(gè)溫度范圍內的曲線(xiàn)，其中，400 V CoolSiC^TM 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^TM MOSFET實(shí)現更高的R_{DS(on) typ}，從而降低成本并提升開(kāi)關(guān)性能。

圖4 第二代AI PSU的拓撲結構和器件技術(shù)示例

圖5 400 V CoolSiC^TM與650 V和750 V CoolSiC^TM對比，具有更優(yōu)的開(kāi)關(guān) FoM和穩定的R_DS(on)與結溫的關(guān)系：品質(zhì)因數（上），R_DS(on)與T_j（下）

對于DC-DC級來(lái)說(shuō)，三相LLC拓撲結構是一種理想選擇，其中，750 V CoolSiC^TM MOSFET用于初級側開(kāi)關(guān)，80 V OptiMOS^TM 5 Power MOSFET用于次級全橋整流器和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)現自動(dòng)電流分配。

第三代AI PSU：三相架構與400 V配電，最高功率約為22 kW，400 V_out，480-600 V_ac，三相

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

●   PSU輸入：從單相轉為三相，以提高功率密度，并降低成本

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

圖6展示了一個(gè)三相輸入、400 V輸出的PSU部署示例，以及推薦的器件和技術(shù)。PFC級采用Vienna整流器，這是一種常用于三相PFC應用的拓撲結構。其主要優(yōu)勢在于采用分離式總線(xiàn)電壓設計，因此可以使用650 V器件：通過(guò)使用雙倍數量的背靠背650 V CoolSiC^TM MOSFET和 1200 V CoolSiC^TM二極管實(shí)現。PFC輸出配置為分離式電容器，每個(gè)電容器電壓為430 V，并為全橋LLC轉換器供電，該轉換器在初級和次級側均使用650 V CoolGaN^TM晶體管。兩個(gè)LLC級在初級側串聯(lián)，次級側并聯(lián)，以向400 V母線(xiàn)供電。

此外，也可以將兩個(gè)背靠背的650 V CoolSiC^TM MOSFET替換為650 V CoolGaN^TM 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(zhù)一個(gè)CoolGaN^TM BDS即可取代4個(gè)分立式電源開(kāi)關(guān)，以實(shí)現相同的R_DS(on)，這是因為它在R_DS(on)/mm²方面具備更高的芯片尺寸利用率。

圖6 第三代AI PSU的拓撲結構和器件技術(shù)示例

WBG為 AI PSU帶來(lái)的優(yōu)勢

CoolGaN^TM助力實(shí)現高峰值功率瞬變

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

除了AI PSU的額定功率顯著(zhù)增加外，GPU在運行時(shí)還會(huì )拉動(dòng)更高的峰值功率，并產(chǎn)生高負載瞬變（見(jiàn)圖7）。因此，DC-DC級的輸出必須具有足夠的動(dòng)態(tài)響應能力，同時(shí)需確保電壓的過(guò)沖和下沖保持在規定的范圍內。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級的輸出動(dòng)態(tài)響應能力。

圖7 AI GPU所需的AI PSU峰值功率

400V CoolSiC^TM MOSFET可在3-L飛電容圖騰柱PFC中實(shí)現最高效率

使用 CoolSiC^TM MOSFET 400 V的三電平級飛跨電容圖騰柱PFC（3-L FCTP PFC）不僅能夠實(shí)現更高的交流輸入電壓（見(jiàn)第2.2節），且相較CoolSiC^TM 650 V和750 V參考器件，其品質(zhì)因數（FoM）更佳，因此還能提供顯著(zhù)的功率密度和效率優(yōu)勢。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電感器設計（包括尺寸、材料和繞組）和3L拓撲結構中的R_DS(on)選擇，結合更低的開(kāi)關(guān)損耗，能夠實(shí)現平緩的效率曲線(xiàn)：峰值效率超過(guò)99.3%，滿(mǎn)載效率超過(guò)99.15%（見(jiàn)圖8）。

圖8 效率對比：3-L FCTP PFC與2-L TP PFC

結論

為了滿(mǎn)足數據中心對AI應用的需求，新一輪技術(shù)角逐已經(jīng)啟動(dòng)，推動(dòng)了機架和PSU的電力需求大幅增長(cháng)。其中，AI PSU的功率需求已經(jīng)從3-5.5 kW，提升到8-12 kW（單相）和高達22 kW（三相）。這種需求給數據中心運營(yíng)商帶來(lái)了新的挑戰，即如何優(yōu)化數據中心的空間和電力的效率和利用率。應對這些挑戰需要采用新的機架架構和AC-DC配電配置，使得基于CoolSiC^TM和CoolGaN^TM的設計處于PSU設計的前沿，致力于實(shí)現最佳效率和功率密度。

此外，新的寬禁帶器件在新型拓撲結構中也展現了極佳的性?xún)r(jià)比，例如，在三電平飛跨電容圖騰柱PFC中采用400 V CoolSiC^TM MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650 V CoolGaN^TM 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)化的柵極驅動(dòng)IC產(chǎn)品組合，通過(guò)混合應用，為當前和下一代平臺及趨勢的發(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，使PSU設計實(shí)現了最佳靈活性，并在效率、功率密度和系統成本之間達成平衡。此外，英飛凌還率先推出了全球首項300毫米氮化鎵功率半導體等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)了文章^[10]中所述的未來(lái)設計發(fā)展。

參考文獻 

[1]   Infineon Technologies AG: We power AI, Online Media Briefing

[2]   Infineon Technologies AG: Wide Bandgap Semiconductors (SiC/GaN)

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[5]   Infineon Technologies AG: Server and data center 3 kW 50 V PSU – Engineering report

[6]   Infineon Technologies AG: 3300 W CCM bidirectional totem pole with 650 V CoolSiC? and XMC?– Infineon Technologies application note

[7]   Infineon Technologies AG: CoolSiC? totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note

[8]   Infineon Technologies AG: CoolGaN? totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note

[9]   Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard

[10] Infineon Technologies AG: Infineon pioneers world's first 300 mm power gallium nitride (GaN) technology – an industry game-changer

[11] Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions