英飞凌为 AI 数据中心电源供应器注入高效密度新动能

　AI 算力爆发催生数据中心电源新需求

　　AI 工作负载的持续强化，使得 AI 机架服务器单个 GPU 的功耗在未来几年内预计将达到惊人的 2kW。更值得关注的是，据预测，到 2030 年数据中心的电力消耗将占全球电力消耗的 7%，这一数值相当于印度目前的能源消耗总量。全球数据的指数级增长，叠加不断加剧的电力和电网约束，不仅推动着对节能解决方案的迫切需求，以减轻这一趋势对环境的影响，还关乎供应安全，尤其是在数据中心集中的地区。

　　面对这一局面，许多企业由于对可扩展性的迫切需求、高昂的前期成本以及大规模基础设施管理的复杂性，难以承担扩建或新建数据中心的重任。因此，数据中心不得不尝试在现有机架空间内实现更高的功率密度。为了满足不断增长的功率需求，电源供应器(PSU)必须在实现更高功率密度和效率水平的同时，将能量损失和热量产生降至最低。此外，在这种高密度服务器解决方案中，散热问题成为主要关注点，这就要求 PSU 必须将效率放在首位，以最大限度地减少功率浪费并减轻数据中心的散热负担。

　　混合功率半导体：突破传统硅基器件性能瓶颈

　　长期以来，硅在功率电子领域一直占据主导地位。然而，其物理特性限制了它处理高电压、大电流和高频信号的能力。基于硅的器件，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率 MOSFET，已逐渐接近其理论极限，这使得进一步提高效率和功率密度变得极具挑战性。随着对功率输出需求的不断增加，维持最高效率变得至关重要，因此需要具有更低导通电阻(RDS (ON))和最小开关损耗的功率器件。

　　尽管硅仍然是最具成本竞争力的技术，但随着行业的持续创新以及对下一代技术的投资不断增加，氮化镓和碳化硅的成本预计在未来几年将大幅下降，使其与传统的硅基解决方案相比更具竞争力。从材料性能来看，SiC 和 GaN 与 Si 相比具有更高的品质因数(FoM)，这意味着它们在效率和功率密度方面表现更优。

　　以输出电容(Coss)为例，它是衡量开关损耗的关键指标。GaN 晶体管的输出电荷(Qoss)低于硅晶体管，这使得在软开关电路中能够实现更短的死区时间和更高频率的操作，且不会增加额外的损耗。此外，GaN 晶体管不存在体二极管恢复问题，非常适合用于连续导通模式(CCM)下的图腾柱 PFC 电路等硬开关半桥应用，能够实现极高的效率。由于沟道中不存在少数载流子，GaN 的反向恢复电荷(Qrr)也显著低于硅晶体管，且其栅极电荷(Qg)和 RDS (ON) 温度系数也低于超结(SJ)器件，从而在工作温度下具有更低的传导损耗。

　　SiC MOSFET 与硅 SJ MOSFET 相比，具有更优异的品质因数和关键特性，能够支持新的更高密度和效率的拓扑结构。SiC 器件的一大优势在于其反向恢复电荷(Qrr)远低于硅晶体管，这使得基于 SiC 的器件能够用于需要重复反向恢复的拓扑结构，如硬开关半桥和图腾柱 PFC。此外，SiC MOSFET 的 RDS (ON) 随温度的增加幅度较小，使其成为硬开关拓扑中高电流应用的首选。其输出电荷(Qoss)也比传统的硅超结 600V 功率晶体管低得多且更线性，在软开关和硬开关应用中都具有显著优势，包括零电压开关(ZVS)所需的更短死区时间、LLC 谐振阶段的更高频率以及 CCM 图腾柱阶段的硬换相损耗降低。与 SJ MOSFET 相比，其栅极电荷(Qg)更低，这影响着晶体管开关的速度以及在高频下驱动栅极电路所需的功率。

　　英飞凌混合 PSU 方案：多技术协同实现性能跃升

　　英飞凌将 SiC 和 GaN 技术与现有基于 Si 的设计相结合，在效率、功率密度和整体性能方面带来了显著优势。例如，在图腾柱 PFC 阶段使用 GaN 可以实现更高频率的操作并减少损耗，而在 LLC 谐振阶段使用 SiC 则可以实现更高的功率密度和更高的效率。此外，SiC 和 GaN 较低的栅极电荷和 RDS (ON) 温度系数可以降低传导损耗并提高整体效率。

　　英飞凌推出的采用 Si/SiC/GaN 功率器件的 PSU 解决方案，旨在满足 AI 应用的高功率需求，功率额定值高达 12kW，输出电压高达 50V DC 总线。这些解决方案实现了 98% 的基准效率，具有高功率密度(如 100W/in³)，并满足 20ms 的严格保持时间要求，支持功率水平高达 300kW 及以上的 AI 机架，同时遵循 ORv3 指南。

　　3kW 解决方案：EVAL_3KW_50V_PSU 评估板于 2021 年发布，采用前端无桥图腾柱 PFC 级和隔离式半桥串并联谐振转换器(LLC)级。该设计利用 CoolSiC MOSFET 器件，实现了高效率和高功率密度，满足 OCP 整流器 V3 规格，峰值效率为 97.5%，功率密度为 32.15W/in³。

　　3.3kW 解决方案：REF_3K3W_HFHD_PSU 参考板采用前端 AC-DC 转换器，带有交错无桥图腾柱级，后端隔离式 DC-DC 转换器采用 GaN 半桥 LLC 转换器。该设计同时使用 CoolSiC 和 CoolGaN 器件，其性能超过 OCP 整流器 V3 规格，峰值效率为 97.4%，功率密度为 98W/in³。LLC 阶段的 GaN 器件允许更快的开关速度和更低的损耗，从而提高效率。此外，PSU 前端 AC-DC 转换器中的交错无桥图腾柱级实现了更高的功率密度和更低的损耗。

　　8kW 解决方案：英飞凌最近推出的 REF_8KW_HFHD_PSU 参考板，专门为满足 AI 数据中心不断增长的功率需求而设计。该 PSU 参考板利用每种半导体技术的独特优势来优化性能、尺寸和成本。无桥图腾柱 PFC 级确保了更高的效率和可靠性，高频 LLC 级采用 CoolGaN 开关，其电容较低，能够实现更快的开关和更低的损耗。同时，硅功率开关用于 PFC 和 DC-DC 阶段的整流，因为在这些阶段开关损耗最小，利用其最低的 RDS (ON) 来最小化传导损耗。该 PSU 的基准效率为 97.5%，针对减少冷却工作进行了优化，功率密度为 100W/in³，是 ORv3 规格的两倍，旨在提供最大性能。

　　12kW 解决方案：英飞凌将其产品组合扩展到包括 12kW PSU，这是一款展示最新电源解决方案的前沿设计。该参考板采用模块化方法，由两个 6kW 模块组成，可以轻松组合以实现所需的功率输出，从而提高轻载效率并简化制造。多级拓扑结构允许利用混合功率半导体开关优化功率转换过程的每个阶段。DC-DC 转换阶段通过先进的热管理技术和高性能组件，实现了 100W/in³ 的高功率密度，是 ORv3 规格密度的两倍。基于英飞凌 PSOC 和 XMC 微控制器的数字控制系统，能够对功率转换过程进行实时监控和控制，并具有预测性维护和远程监控等高级功能，从而在 100W/in³ 的功率密度下实现了 97.5% 的基准效率。

　　面向未来：混合技术驱动数据中心绿色高效发展

　　随着计算需求的不断增长，数据中心持续面临着在现有空间内提供更多功率的挑战。英飞凌创新的 PSU 解决方案通过混合组件方法优化每个阶段，该方法结合了 Si、SiC 和 GaN 技术，实现了高功率密度和效率，具有更高的功率输出、更低的能量损耗和更好的热性能。

　　这些强大的 PSU 解决方案的功率额定值从 3kW 到 12kW，基准效率为 97.5%，可以适应各种功率可变的应用，非常适合下一代 AI 数据中心，使 AI 处理器能够实现最佳性能和最低总拥有成本(TCO)。这种组合不仅带来了技术优势，还有助于减少数据中心的碳足迹。通过优先考虑能源效率和最大限度地减少功率浪费，PSU 有助于减轻全球数据呈指数级增长所带来的环境影响。

　　在 AI 技术引领未来的时代，英飞凌的混合半导体 PSU 解决方案为数据中心的电力供应提供了高效、可靠且环保的技术路径，有望在推动 AI 算力持续提升的同时，助力数据中心实现绿色可持续发展。