手艺洞察 | 英飞凌CoolSiC跟CoolGaN产物，进级电源跟

媒介本文援用地点：人工智能的迅猛开展推进了数据核心处置才能的明显增加。如图1所示，英飞凌猜测单台GPU的功耗将呈指数级回升，估计到2030年将到达约2000W [1] ，而AI效劳器机架的峰值功耗将冲破惊人的300kW。这一趋向促使数据核心机架的AC跟DC配电体系停止架构进级，重在增加从电网到中心装备的电力转换跟配送进程中的功率消耗。图2（右）展现了开放盘算名目（OCP）机架供电架构的示例。每个电源架由三相输入供电，可包容多台PSU；每台PSU由单相输入供电。机架将直流电压（比方，50V）输出到母线，母线则衔接到IT跟电池架。AI的开展趋向请求对PSU功率停止改革，如图2（左）所示。 接上去，咱们将经由过程各代PSU的拓扑构造跟器件技巧倡议示例，来逐渐先容这些PSU的演化。图1 基于x86跟Arm ® 架构的效劳器CPU与GPU跟TPU的电力需要对照图2 AI效劳器PSU的功率演化（左）；效劳器机架架构示例（右）。AI效劳器机架PSU的趋向跟功率演进▴ 第一代AI PSU：在雷同的架构下晋升功率，~5.5-8kW、50V out 、277V ac 、单相以后的AI效劳器PSU年夜多遵守ORv3-HPR尺度 [9] 。相较于先前的ORv3 3 kW尺度 [9] ，该尺度的年夜局部请求（包含输入跟输出电压以及效力）坚持稳定，但增添了与AI效劳器需要相干的更新，比方，更高的功率跟峰值功率请求（稍后胪陈）。别的，因为与BBU架的通讯方法有所调剂，输出电压的调理范畴变得更窄。只管每个电源架都经由过程三相输入（400-480 V ac L-L）供电（见图2），但每台PSU的输入仍为单相（230-277 V ac ）。图3展现了合乎ORv3-HPR尺度的第一代PSU的安排示例：PFC级能够采取两个交织的图腾柱拓扑构造，此中，650V CoolSiC™ MOSFET用于快臂开关，600V CoolMOS™ SJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级能够选用650V CoolGaN™晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器跟ORing则应用80V OptiMOS™ Power MOSFET。别的，示例还展现了一其中间级，也称“延伸坚持时光”或“小型升压”，其感化是减小年夜容量电容器的尺寸。该旁边级由一个升压转换器构成，在线路周期失落电变乱时期，经由过程储能电容器放电，以调理LLC输入电压。在畸形运转时期，升压转换器坚持闲暇状况，并经由过程低阻抗的600V CoolMOS™ SJ MOSFET旁路。图3：第一代AI PSU的拓扑构造及器件技巧示例▴ 第二代AI PSU：增添线路电压，以实现更高的功率，~8-12kW、50Vout、277–347Vac、单相如上所述，跟着机架功率增添到300kW以上，电源架的功率密度变得至关主要。 因而，下一代PSU的计划偏向是，在单相架构中实现8kW至12kW的输出功率。 跟着每个机架的功率增添，数据核心中的机架数目在某些情形下，可能会受配电电流额外值跟消耗的束缚。因而，为了下降交换配电的电流跟消耗，局部数据核心可能会将机架的交换配电电压从400/480V进步到600V ac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277V ac 进步到347V ac （单相）。固然这一变更有利于数据核心的运转效力跟资本应用，但会影响PSU的额外电压跟计划。在347V ac 的输入电压下，PFC的输出电压必需设定在575V dc 阁下，这象征着传统的650V器件的额外电压已无奈满意请求。图4展现了一个示例：第一代PSU应用的两电平图腾柱PFC被调换为400V CoolSiC™ MOSFET的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转换观点使得在应用较低额外电压的开关器件的同时，支撑更高的输入电压。凭仗多电平拓扑构造的频率倍增效应，3-L FCTP PFC可能带来更高的效力跟功率密度。最主要的是，CoolSiC™技巧针对400V的较低击穿电压停止了优化，与650V 跟750V CoolSiC™参考器件比拟，其FoM更为优良（见图5（左））。别的，图5（右）表现了导通电阻在全部温度范畴内的曲线，此中，400V CoolSiC™ MOSFET的R DS(on) 100°C 仅比R DS(on) 25°C 高11%。R DS(on) 与T j 之间的这一陡峭关联有助于CoolSiC™ MOSFET实现更高的R DS(on) typ ，从而下降本钱并晋升开关机能。对DC-DC级来说，三相LLC拓扑构造是一种幻想抉择，此中，750V CoolSiC™ MOSFET用于低级侧开关，80V OptiMOS™ 5 Power MOSFET用于次级全桥整流器跟ORing。因为增添了第三个半桥开关臂，该处理计划可能供给更高的功率，无效下降输出电流的纹波，并经由过程三个开关半桥之间的固有耦合实现主动电流调配。图4 第二代AI PSU的拓扑构造跟器件技巧示例图5 400V CoolSiC™与650V跟750V CoolSiC™对照，存在更优的开关FoM跟稳固的R DS(on) 与结温的关联：品德因数（左），R DS(on) 与T j （右）▴ 第三代AI PSU：三相架构与400V配电，最高功率约为22kW，400Vout，480-600Vac，三相为了进一步进步机架功率，第三代AI PSU将采取更具推翻性的机架架构，详细如下：PSU输入： 从单相转为三相，以进步功率密度，并下降本钱电源架PSU输出电压： 从50V晋升到400V，以下降母线电流、消耗跟本钱图6展现了一个三相输入、400V输出的PSU安排示例，以及推举的器件跟技巧。PFC级采取Vienna整流器，这是一种常用于三相PFC利用的拓扑构造。其重要上风在于采取分别式总线电压计划，因而能够应用650 V器件：经由过程应用双倍数目的背靠背650V CoolSiC™ MOSFET跟1200V CoolSiC™二极管实现。PFC输出设置为分别式电容器，每个电容器电压为430V，并为全桥LLC转换器供电，该转换器在低级跟次级侧均应用650V CoolGaN™晶体管。两个LLC级在低级侧串联，次级侧并联，以向400V母线供电。别的，也能够将两个背靠背的650V CoolSiC™ MOSFET调换为650V CoolGaN™ 双向开关（BDS），后者是真正的常关型单片双向开关。这象征着一个CoolGaN™ BDS即可代替4个分破式电源开关，以实现雷同的RDS(on)，这是由于它在R DS(on) /mm 2 方面具有更高的芯片尺寸应用率。图6 第三代AI PSU的拓扑构造跟器件技巧示例WBG为 AI PSU带来的上风▴ CoolGaN™助力实现顶峰值功率瞬变宽禁带（WBG）半导体（比方，CoolGaN™ [2] ）可能在更高的开关频率下，实现最佳效力，使转换器在不影响转换效力的条件下，实现更高的功率密度，因而，成为AI PSU的幻想抉择。除了AI PSU的额外功率明显增添外，GPU在运转时还会拉动更高的峰值功率，并发生高负载瞬变（见图7）。因而，DC-DC级的输出必需存在充足的静态呼应才能，同时需确保电压的过冲跟下冲坚持在划定的范畴内。经由过程晋升开关频率，并增添把持环路带宽，能够进步DC-DC级的输出静态呼应才能。图7 AI GPU所需的AI PSU峰值功率▴ 400V CoolSiC™ MOSFET可在3-L飞电容图腾柱PFC中实现最高效力应用 CoolSiC™ MOSFET 400V的三电平级飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）不只可能实现更高的交换输入电压（见第2.2节），且相较CoolSiC™ 650V跟750V参考器件，其品德因数（FoM）更佳，因而还能供给明显的功率密度跟效力上风。经由优化的电感器计划（包含尺寸、资料跟绕组）跟3L拓扑构造中的R DS(on) 抉择，联合更低的开关消耗，可能实现陡峭的效力曲线： 峰值效力超越99.3%，满载效力超越99.15% （见图8）。图8 效力对照：3-L FCTP PFC与2-L TP PFC论断了满意数据核心对AI利用的需要，新一轮技巧比赛曾经启动，推进了机架跟PSU的电力需要年夜幅增加。此中，AI PSU的功率需要曾经从3-5.5kW，晋升到8-12kW（单相）跟高达22kW（三相）。这种需要给数据核心经营商带来了新的挑衅，即怎样优化数据核心的空间跟电力的效力跟应用率。 应答这些挑衅须要采取新的机架架构跟AC-DC配电设置，使得基于CoolSiC™跟CoolGaN™的计划处于PSU计划的前沿，努力于实现最佳效力跟功率密度。别的，新的宽禁带器件在新型拓扑构造中也展示了极佳的性价比，比方，在三电平飞跨电容图腾柱PFC中采取400V CoolSiC™ MOSFET，或在三相Vienna PFC中应用650V CoolGaN™ BDS（详见前文）。总而言之，英飞凌的功率器件技巧组合（硅、碳化硅跟氮化镓）跟经由优化的栅极驱动IC产物组合，经由过程混杂利用，为以后跟下一代平台及趋向的开展供给了支撑。这些组合充足应用了三种技巧的上风，使PSU计划实现了最佳机动性，并在效力、功率密度跟体系本钱之间告竣均衡。别的，英飞凌还率先推出了寰球首项300毫米氮化镓功率半导体等进步技巧，进一步推进了文章 [10] 中所述的将来计划开展。对于作者Sam Abdel-Rahman领有中佛罗里达年夜学电气工程博士学位，效率英飞凌已十三年不足，现任高等首席体系架构师，担任开辟效劳器/数据核心SMPS跟可再生动力利用的利用道路图。Sam在功率半导体行业领有丰盛的教训，专一于体系架构、拓扑构造跟把持技巧。 　　申明：新浪网独家稿件，未经受权制止转载。 -->