人工智能趋势下，如何提升电力电子系统的功率转换效率

超大规模数据中心的功率转换挑战

现代数据中心几乎每天24小时不停运行，耗电量占全球总需求的2%左右。随着数据量和人工智能训练需求的增加，电力转换效率变得尤为关键。数据中心需要将交流电转换为直流电，以满足高性能处理器的需求，这些处理器虽然电压低至0.7伏，但电流需求高达数千安培。

过去，数据中心使用铅酸电池进行双向转换，先从交流电转换到给铅酸电池用的直流电，然后再从直流电转换回交流电。而现在，在超大规模的数据中心通过整合UPS系统和备用电池到每个机架，确保了不间断电源供应，不再需要单独的电池室。这种整合提高了效率，减少了空间占用，并确保了数据中心的稳定运行。

现代功率转换涉及三大阶段：

? 交直流转换器（AC/DC）：先通过AC转DC转换器将230~277伏的交流电转换为48伏直流电，接下来，这48伏的直流电会送到机架的背板上，每个主板都由对应的直流电供电。未来，这一交流电压可能会进一步提升至347伏，优化转换效率。现阶段这一转化效率已超过97%。

? 中间总线转换器：这一阶段的转化效率已经达到了98%，其原理是将48伏的直流电进一步降至12伏的中间电压，预计未来会进一步降至6~8伏，以适应更高效的功率转换。

? 负载点转换器（POL）：它一般工作在12伏，以0.7伏的典型输出电压直接给处理器供电。这一步的转化效率通常达到90%左右，就目前看来，这是提升整体效率的关键环节。通过降低中间总线电压，并将负载点转换器尽量靠近处理器，比如安装在处理器背面，调整架构设计以实现整体效率的提高。在此之中，也需要权衡配电过程中的损耗，综合考虑负载实际功率。

其中，备用电池单元也发挥了关键作用，它可以在交流电中断时提供电力，衔接启动发电机的空挡。

英飞凌的解决方案

当前，数据中心发展的基本趋势是：大幅提升单机架的功率水平。随着人工智能的迅猛发展，数据中心的功率需求也在不断攀升——从过去每机架30千瓦的用电量，跃升到如今的100千瓦甚至更高。面对如此复杂的功率需求，不仅需要更好的半导体器件，还需要创新的拓扑结构和控制算法，以实现在有限的空间内传输大量电力，同时在此过程中保持极高的传输效率。为此，英飞凌通过以下创新解决方案助力数据中心“减负提效”：

| 宽禁带半导体

使用碳化硅、氮化镓和硅相结合的功率器件，是应对交流电转直流电转换挑战的理想选择。比如在交流转直流电源中，可以使用图腾柱拓扑，在快速开关臂中使用碳化硅，而在慢速臂中使用超结硅。在400V到48V的直流转换器中可以使用氮化镓，将400V直流转换为48V直流。而在48V总线上同样可以使用氮化镓进行同步整流。

实际上，英飞凌的产品线已经全面覆盖了交流转直流电源领域，提供的产品不仅仅局限于碳化硅和氮化镓器件，还会根据市场需求推荐最合适的产品组合。

|备用电池“削峰填谷”

传统备用电池通常处于待命状态，仅在停电时作为应急电源使用，导致其使用率较低。然而，最新的开放计算OCP 3.0规范中允许备用电池不仅待命，还能在负载高峰时，如AI训练期间GPU功率激增时，辅助交流转直流电源供应器，实现“削峰填谷”。这显著提高了电池的使用率。

随着使用频率的增加，电池的电源效率变得至关重要。部分功率转换器提供了一种更高效的解决方案，它直接利用电池电压，仅需微调即可稳定输出48伏，大幅减少了处理的电力量，如仅需调节三分之一的电力。这种方法成本效益显著，因为转换器尺寸小，其效率非常高，最高峰值效率可达99.5%，整体效率也超过99%。此外，这种紧凑的设计占用空间少于传统全功率后备电池单元转换器，优化了整体空间。

| 中间总线电压优化

当前数据中心普遍采用12伏电压系统，但面对主板级别的高功率需求，特别是达到4千瓦以上时，48伏生态系统更具优势。英飞凌的解决方案能将48伏电压转换至12伏，以满足负载点阶段的需求。对于高性能处理器，如用于AI训练的GPU，在几纳秒内就能从待机状态切换到全功率运行，要求负载点开关具备快速响应和高频开关能力。为了适应这种高频开关需求，可选择降低负载点的输入电压。在600到800千赫的频率下，电压为12伏；但要达到兆赫兹以上，理想电压范围应为6到8伏。因此，48伏至6到8伏的转换变得尤为重要。在使用开关电容转换器的情况下，通过特定的拓扑结构可实现这一点，这正是英飞凌目前在推广并引入市场的一项专有技术。

| 垂直供电解决方案

面对人工智能发展带来的现代处理器功耗大幅增加的挑战，目前最先进的方法是采用分立器件解决方案，即在主板上安装多相降压转换器。然而，由于主板空间有限，同时需要集成数字信息传输和I/O线路，转换器被设计在主板顶部，环绕处理器布局。这种布局在负载电流超过一千安培时会达到极限，因为此时主板内的电力损耗会非常高，导致解决方案失效。为了克服这一问题，英飞凌提出了垂直供电解决方案，通过从主板背面直接供电至处理器，大幅减少电力损耗，同时结合集成电感器和先进冷却设计，提升整体系统紧凑性和效率。

未来展望

基于当前的发展趋势，随着功率水平继续攀升，传统交流供电方式可能会被直流配电（如400伏或正负400伏直流电） 所取代。这种配电方式将大幅降低损耗，这种更紧凑且高效的解决方案可以直接在主板级别将400伏直流电高效转换为48伏直流电。

为了驱动这样的系统，必须能够隔离单点故障。我们需要一个多级安全系统，用于中断多个级联层的电流。主要是在配电层面、机架层面和主板层面实现隔离单点故障。如果这一趋势成为现实，那么对于宽禁带功率器件而言将是一个巨大的增长机会，这将推动碳化硅和氮化镓等宽禁带器件的应用。

数据中心正迈向更加高效、紧凑、智能的技术时代，而英飞凌始终致力于为这一发展提供可靠的功率转换解决方案，助力行业实现技术跃升。

欢迎关注大联大工程师社区——大大通

登录大大通网站-原厂频道-Infineon 原厂频道，提问/评论，获取技术文档等更多资讯！