數據中心PSU，邁向12kW

電子發燒友網報道（文/梁浩斌） 隨著AI算力芯片功耗不斷提高，服務器PSU（電源供應單元）需要在原有的空間內，實現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數據中心與服務器電源（PSU）參考設計，值得關注的是，這款PSU參考設計中充分利用了Si、SiC、GaN等多種功率半導體產品，實現了超過98.5%的超高峰值效率。

為了實現這個性能，該PSU參考設計在AC/DC和 DC/DC級中均采用了先進的功率轉換拓撲。其中前端AC/DC轉換器采用三電平飛跨電容交錯式功率因數校正（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，令SiC MOSFET器件可以提供出色的開關性能與優越的熱性能。

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，達到超過 98.5%的峰值效率。這些架構與英飛凌最新的寬禁帶技術相結合，實現了高達 113 瓦 / 立方英寸（W/in3）的功率密度。

這款12 kW PSU參考設計的另一項關鍵特性是雙向能量緩沖器，它被集成于整體電源供應拓撲中。該轉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調節功能，抑制電網瞬態波動和跌落產生的干擾，提高系統可靠性。
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納微半導體在今年5月也推出了一款專為超大規模AI數據中心設計的12kW量產電源參考設計，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數字控制技術，實現了極簡元件布局下的高效率以及高性能。

拓撲結構上，采用了三相交錯TP-PFC和FB-LLC拓撲結構。其中三相交錯TP-PFC拓撲由采用“溝槽輔助平面柵”技術的第三代快速碳化硅MOSFET驅動。這項技術在全溫域下展現領先性能，支持低溫升運行、快速開關及卓越魯棒性，可為電動汽車帶來更快的充電速度或讓AI數據中心的功率提升3倍。

三相交錯FB-LLC拓撲由第四代GaNSafe功率芯片驅動，其集成了控制、驅動、感測以及關鍵的保護功能，使其在高功率應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，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的應用場景，RDS (ON)典型值范圍為18mΩ至70mΩ。

納微IntelliWeave數字控制技術融合臨界導通模式（CrCM）與連續導通模式（CCM）混合控制策略，覆蓋輕載至滿載的全工況，在保持低元件數量簡潔設計的同時實現效率最大化，相較現有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℃溫度范圍內正常運行，12kW負載下保持時間達20ms，浪涌電流為穩態電流3倍（持續時間<20ms），采用內部風扇散熱。

小結：

隨著服務器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，以實現功率密度以及轉換效率的極致。