数据中心PSU，迈向12kW

数据中心PSU，迈向12kW
 
电子发烧友网报道（文/梁浩斌） 随着AI算力芯片功耗不断提高，服务器PSU（电源供应单元）需要在原有的空间内，实现更大功率的电源输出。PSU的功率密度要求不断提高，在器件选型、拓扑架构等都需要有新的改进。
 
最近英飞凌推出了一款12kW高功率密度AI数据中心与服务器电源（PSU）参考设计，值得关注的是，这款PSU参考设计中充分利用了Si、SiC、GaN等多种功率半导体产品，实现了超过98.5%的超高峰值效率。
 
为了实现这个性能，该PSU参考设计在AC/DC和 DC/DC级中均采用了先进的功率转换拓扑。其中前端AC/DC转换器采用三电平飞跨电容交错式功率因数校正（PFC）拓扑，峰值效率可达 99.0% 以上，同时减少磁性元件的体积。这得益于英飞凌CoolSiC技术，令SiC MOSFET器件可以提供出色的开关性能与优越的热性能。
 
在DC/DC级则采用全桥 LLC 拓扑，通过使用两个平面高频变压器及英飞凌的CoolGaN技术，达到超过 98.5%的峰值效率。这些架构与英飞凌最新的宽禁带技术相结合，实现了高达 113 瓦 / 立方英寸（W/in³）的功率密度。
 
这款12 kW PSU参考设计的另一项关键特性是双向能量缓冲器，它被集成于整体电源供应拓扑中。该转换器不仅能满足保持时间的要求，还显著降低了电容需求。此外，能量缓冲器还具备电网调节功能，抑制电网瞬态波动和跌落产生的干扰，提高系统可靠性。
 
纳微半导体在今年5月也推出了一款专为超大规模AI数据中心设计的12kW量产电源参考设计，效率高达97.8%。
 
纳微这款电源采用了纳微自家的第三代Fast SiC和GaNSafe器件，以及采用了独家的IntelliWeave数字控制技术，实现了极简元件布局下的高效率以及高性能。
 
拓扑结构上，采用了三相交错TP-PFC和FB-LLC拓扑结构。其中三相交错TP-PFC拓扑由采用“沟槽辅助平面栅”技术的第三代快速碳化硅MOSFET驱动。这项技术在全温域下展现领先性能，支持低温升运行、快速开关及卓越鲁棒性，可为电动汽车带来更快的充电速度或让AI数据中心的功率提升3倍。
 
三相交错FB-LLC拓扑由第四代GaNSafe功率芯片驱动，其集成了控制、驱动、感测以及关键的保护功能，使其在高功率应用中具备了前所未有的可靠性和鲁棒性。作为全球氮化镓功率芯片的安全巅峰，GaNSafe具有短路保护（最大延迟350ns）、所有引脚均有2kV HBM ESD保护、消除负栅极驱动并具备可编程的斜率控制。所有这些功能都可通过芯片4个引脚实现，使得封装可以像一个分离的氮化镓FET一样被处理，无需额外的VCC引脚。650V的GaNSafe提供TOLL与TOLT封装，适用于1kW至22kW的应用场景，RDS (ON) 典型值范围为18mΩ至70mΩ。
 
纳微IntelliWeave数字控制技术融合临界导通模式（CrCM）与连续导通模式（CCM）混合控制策略，覆盖轻载至满载的全工况，在保持低元件数量简洁设计的同时实现效率最大化，相较现有CCM方案的功率损耗降低 30%。
 
这款电源的尺寸为790×73.5×40mm，输入电压范围180–305VAC，输出最高电压为50VDC。当输入电压高于207VAC 时输出12kW功率，低于该阈值时输出10kW。其配备主动均流功能及过流、过压、欠压、过热保护机制，可在-5至45℃温度范围内正常运行，12kW负载下保持时间达20ms，浪涌电流为稳态电流3倍（持续时间<20ms），采用内部风扇散热。
 
小结：
 
随着服务器PSU的功率达到12kW甚至更高的水平，可以看到目前的电源方案已经不仅限于使用一种类型的功率器件，而是在不同的部分按需选择Si、SiC、GaN等不同材料的器件，以实现功率密度以及转换效率的极致。