人工智能（AI）的迅猛发展推动了数据中心处理能力的显著增长。
本文作者
作者 Sam Abdel-Rahman
英飞凌电源与传感系统事业部
高级首席系统架构师
前言
人工智能（AI）的迅猛发展推动了数据中心处理能力的显著增长。如图1所示，英飞凌预测单台GPU的功耗将呈指数级上升，预计到2030年将达到约2000W [lbk]1[rbk]，而AI服务器机架的峰值功耗将突破惊人的300kW。这一趋势促使数据中心机架的AC和DC配电系统进行架构升级，重在减少从电网到核心设备的电力转换和配送过程中的功率损耗。
图2（右）展示了开放计算项目（OCP）机架供电架构的示例。每个电源架由三相输入供电，可容纳多台PSU；每台PSU由单相输入供电。机架将直流电压（例如，50V）输出到母线，母线则连接到IT和电池架。
AI的发展趋势要求对PSU功率进行革新，如图2（左）所示。接下来，我们将通过各代PSU的拓扑结构和器件技术建议示例，来逐步介绍这些PSU的演变。
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图1 基于x86和Arm®架构的服务器CPU
与GPU和TPU的电力需求对比
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图2 AI服务器PSU的功率演变（左）；服务器机架架构示例（右）。
AI服务器机架PSU的趋势和功率演进
▴ 第一代AI PSU：在相同的架构下提升功率，~5.5-8kW、50Vout、277Vac、单相
当前的AI服务器PSU大多遵循ORv3-HPR标准[lbk]9[rbk]。相较于先前的ORv3 3 kW标准[lbk]9[rbk]，该标准的大部分要求（包括输入和输出电压以及效率）保持不变，但增加了与AI服务器需求相关的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后详述）。此外，由于与BBU架的通信方式有所调整，输出电压的调节范围变得更窄。
尽管每个电源架都通过三相输入（400-480 Vac L-L）供电（见图2），但每台PSU的输入仍为单相（230-277 Vac）。图3展示了符合ORv3-HPR标准的第一代PSU的部署示例：PFC级可以采用两个交错的图腾柱拓扑结构，其中，650V CoolSiC™ MOSFET用于快臂开关，600V CoolMOS™ SJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级可以选用650V CoolGaN™晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器和ORing则使用80V OptiMOS™ Power MOSFET。此外，示例还展示了一个中间级，也称“延长保持时间”或“小型升压”，其作用是减小大容量电容器的尺寸。该中间级由一个升压转换器组成，在线路周期掉电事件期间，通过储能电容器放电，以调节LLC输入电压。在正常运行期间，升压转换器保持空闲状态，并通过低阻抗的600V CoolMOS™ SJ MOSFET旁路。
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图3：第一代AI PSU的拓扑结构及器件技术示例
▴ 第二代AI PSU：增加线路电压，以实现更高的功率，~8-12kW、50Vout、277–347Vac、单相
如上所述，随着机架功率增加到300kW以上，电源架的功率密度变得至关重要。因此，下一代PSU的设计方向是，在单相架构中实现8kW至12kW的输出功率。随着每个机架的功率增加，数据中心中的机架数量在某些情况下，可能会受配电电流额定值和损耗的约束。因此，为了降低交流配电的电流和损耗，部分数据中心可能会将机架的交流配电电压从400/480V提高到600Vac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277Vac 提高到347Vac（单相）。
虽然这一变化有利于数据中心的运行效率和资源利用，但会影响PSU的额定电压和设计。在347Vac的输入电压下，PFC的输出电压必须设定在575Vdc左右，这意味着传统的650V器件的额定电压已无法满足要求。图4展示了一个示例：第一代PSU使用的两电平图腾柱PFC被替换为400V CoolSiC™ MOSFET的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转换概念使得在使用较低额定电压的开关器件的同时，支持更高的输入电压。凭借多电平拓扑结构的频率倍增效应，3-L FCTP PFC能够带来更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC™技术针对400V的较低击穿电压进行了优化，与650V 和750V CoolSiC™参考器件相比，其FoM更为优异（见图5（左））。此外，图5（右）显示了导通电阻在整个温度范围内的曲线，其中，400V CoolSiC™ MOSFET的RDS(on) 100°C仅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)与Tj之间的这一平缓关系有助于CoolSiC™ MOSFET实现更高的RDS(on) typ，从而
本文作者
作者 Sam Abdel-Rahman
英飞凌电源与传感系统事业部
高级首席系统架构师
前言
人工智能（AI）的迅猛发展推动了数据中心处理能力的显著增长。如图1所示，英飞凌预测单台GPU的功耗将呈指数级上升，预计到2030年将达到约2000W [lbk]1[rbk]，而AI服务器机架的峰值功耗将突破惊人的300kW。这一趋势促使数据中心机架的AC和DC配电系统进行架构升级，重在减少从电网到核心设备的电力转换和配送过程中的功率损耗。
图2（右）展示了开放计算项目（OCP）机架供电架构的示例。每个电源架由三相输入供电，可容纳多台PSU；每台PSU由单相输入供电。机架将直流电压（例如，50V）输出到母线，母线则连接到IT和电池架。
AI的发展趋势要求对PSU功率进行革新，如图2（左）所示。接下来，我们将通过各代PSU的拓扑结构和器件技术建议示例，来逐步介绍这些PSU的演变。
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图1 基于x86和Arm®架构的服务器CPU
与GPU和TPU的电力需求对比
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图2 AI服务器PSU的功率演变（左）；服务器机架架构示例（右）。
AI服务器机架PSU的趋势和功率演进
▴ 第一代AI PSU：在相同的架构下提升功率，~5.5-8kW、50Vout、277Vac、单相
当前的AI服务器PSU大多遵循ORv3-HPR标准[lbk]9[rbk]。相较于先前的ORv3 3 kW标准[lbk]9[rbk]，该标准的大部分要求（包括输入和输出电压以及效率）保持不变，但增加了与AI服务器需求相关的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后详述）。此外，由于与BBU架的通信方式有所调整，输出电压的调节范围变得更窄。
尽管每个电源架都通过三相输入（400-480 Vac L-L）供电（见图2），但每台PSU的输入仍为单相（230-277 Vac）。图3展示了符合ORv3-HPR标准的第一代PSU的部署示例：PFC级可以采用两个交错的图腾柱拓扑结构，其中，650V CoolSiC™ MOSFET用于快臂开关，600V CoolMOS™ SJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级可以选用650V CoolGaN™晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器和ORing则使用80V OptiMOS™ Power MOSFET。此外，示例还展示了一个中间级，也称“延长保持时间”或“小型升压”，其作用是减小大容量电容器的尺寸。该中间级由一个升压转换器组成，在线路周期掉电事件期间，通过储能电容器放电，以调节LLC输入电压。在正常运行期间，升压转换器保持空闲状态，并通过低阻抗的600V CoolMOS™ SJ MOSFET旁路。
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图3：第一代AI PSU的拓扑结构及器件技术示例
▴ 第二代AI PSU：增加线路电压，以实现更高的功率，~8-12kW、50Vout、277–347Vac、单相
如上所述，随着机架功率增加到300kW以上，电源架的功率密度变得至关重要。因此，下一代PSU的设计方向是，在单相架构中实现8kW至12kW的输出功率。随着每个机架的功率增加，数据中心中的机架数量在某些情况下，可能会受配电电流额定值和损耗的约束。因此，为了降低交流配电的电流和损耗，部分数据中心可能会将机架的交流配电电压从400/480V提高到600Vac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277Vac 提高到347Vac（单相）。
虽然这一变化有利于数据中心的运行效率和资源利用，但会影响PSU的额定电压和设计。在347Vac的输入电压下，PFC的输出电压必须设定在575Vdc左右，这意味着传统的650V器件的额定电压已无法满足要求。图4展示了一个示例：第一代PSU使用的两电平图腾柱PFC被替换为400V CoolSiC™ MOSFET的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转换概念使得在使用较低额定电压的开关器件的同时，支持更高的输入电压。凭借多电平拓扑结构的频率倍增效应，3-L FCTP PFC能够带来更高的效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC™技术针对400V的较低击穿电压进行了优化，与650V 和750V CoolSiC™参考器件相比，其FoM更为优异（见图5（左））。此外，图5（右）显示了导通电阻在整个温度范围内的曲线，其中，400V CoolSiC™ MOSFET的RDS(on) 100°C仅比RDS(on) 25°C高11%。RDS(on)与Tj之间的这一平缓关系有助于CoolSiC™ MOSFET实现更高的RDS(on) typ，从而
