效率高达99.4%！AI推动数据中心电源创新

 

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）AI的需求带动了数据中心的升级，高算力AI芯片带来了更高的功率，以至于当前数据中心整机柜的功率提升幅度也相当惊人。纳微半导体预测，2024年数据中心整机柜功率平均达到100kW，到2025年将提升至150kW，并继续保持高增长至2027年可能将会达到360kW。

整机柜的功率提升，也对服务器电源提出了更高的要求，需要更高的功率密度和更高的转换效率。纳微在中国电源学会年会2024上，介绍了一种服务器电源方案，采用GaN HEMT IC+Si MOSFET的组合，峰值效率能够达到99.4%，远远高于当前服务器电源80Plus钛金级最高96%的效率要求。

3.2kW GaN基交错并联图腾柱PFC

一般在2.7kW到4.5kW的中大功率服务器电源中，都会采用二级拓扑架构，其中后级一般使用全桥或半桥LLC，主要采用变频控制，可以实现软开关，效率能够达到98%以上。

而前级则采用交错并联的PFC，控制方法更加多样，而且工作方式不同，效率也会有很大差异。因此在前级会是提升电源效率的改进重点。

PFC主要有两种工作模式，包括电流连续模式（CCM）和临界导通模式（CrM）。CCM模式的好处是纹波电流小，导通损耗小，而且可以在100kHz以下定频工作；但也有缺点，比如主开关管硬开通，开关损耗大，峰值效率只能做到99%。

而CrM的优势相比CCM非常明显，首先是可以实现所有开关管的软开关，能够将开关损耗做到最低，因此峰值效率进一步提升到99.4%。在99%以上，每0.1%的效率提升都伴随着更多的难题，包括开关频率带来的损耗、散热、驱动、EMI等一系列问题。

纳微半导体高级应用工程师余文浩也表示，CrM的问题在于纹波电流会比较大，导致损耗相对较高，同时变频工作下驱动算法会更加复杂。但依然要采用CrM，必然有更深层的原因。

据介绍，CrM由于可以实现软开关，可以将频率提升至几百K甚至兆赫兹的水平，也就能大幅提高功率密度，同时保持高效率。而主要的技术难点在于三个方面，包括系统闭环控制、相位交错控制、全范围ZVS（零电压开关）。

图源：纳微半导体

纳微基于这些控制难点，推出了一个99.4%效率的3.2kW GaN基交错并联图腾柱PFC平台，在开关管方面，选择了4颗纳微GaN Safe系列的NV6515（650V,32mΩ max）IC，和2颗英飞凌IPT60R040S7 硅MOSFET，并且提供40微亨和200微亨两种电感规格，分别为高效率和高功率密度场景设计。

图源：纳微半导体

在实测的效率曲线中，在使用200微亨电感，CrM开关频率在300K左右时，峰值效率可以达到99.447%。但这主要适用于体积不受限，追求极致效率的场景。如果是需要对功率密度有要求的场景，CrM开关频率则要做到500K或者更高，这个时候峰值效率也可以额达到99.3%的高等级。

小结：

在服务器电源的发展中，随着AI芯片的算力越来越高，功耗越来越大，电源的高功率密度和高效率将会越来越重要。在高效率电源中，采用第三代半导体器件，以及创新的电源架构，将会是未来的趋势。