萨瑞微电子SiC 和 GaN赋能AI服务器电源系统-电子发烧友网

AI服务器电源的核心挑战与技术需求

超高功率密度：单机架功率已从传统服务器的数千瓦提升至数十千瓦（如英伟达DGX-2需10kW，未来GB300芯片预计达1.4kW单芯片功耗），要求电源方案在有限空间内实现高效能量转换。

高频化与高效率：单个 GPU 的功耗将呈指数级增长，到 2030 年将达到约 2000 W，而 AI 服务器机架的峰值将达到惊人的 >300 kW。这些要求对数据中心机架的 AC 和 DC 配电系统进行新的架构更改，重点是减少从电网到核心的转换和配电功率损耗。为降低损耗并适配GPU/TPU的高频运算，电源转换频率逐步提升至MHz级，同时需将转换效率从传统的96%提升至98%以上，以减少散热成本与碳排放。

高压化与稳定性：输入电压向800V DC-HVDC（高压直流）演进，输出电压则需精准降至芯片级所需的0.8V-12V，要求器件具备宽电压范围适应性与低噪声特性。

PSU的拓扑图及演变

图 2（a）显示了开放计算项目 (OCP) 机架电源架构的示例图。每个电源架由三相输入供电并容纳多个 PSU；每个 PSU 由单相输入供电。机架向母线输出直流电压（例如 50 V），母线还连接到 IT 和电池架。

AI 趋势要求 PSU 进行功率演进，如图 2（b）所示。让我们通过实施拓扑和设备技术建议的示例来介绍这些 PSU 的每一个代。

AI 服务器机架 PSU 的趋势和功率演进

第一代 AI PSU高效电能转换基石

在第一代 AI PSU（2010-2018 年）的硅基架构框架下，实现5.5-8kW 功率、50V 输出、277V 单相输入

当前的AI服务器PSU大多遵循ORv3-HPR标准[9]。相较于先前的ORv3 3 kW标准[9]，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。

推荐使用萨瑞微电子800V-1000V整流桥

第二代AI PSU：增加线路电压

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）。

对于DC-DC级来说，三相LLC拓扑结构是一种理想选择，其中，750V CoolSiC MOSFET用于初级侧开关，80V OptiMOS 5 Power MOSFET用于次级全桥整流器和ORing。由于增加了第三个半桥开关臂，该解决方案能够提供更高的功率，有效降低输出电流的纹波，并通过三个开关半桥之间的固有耦合实现自动电流分配。

推荐使用萨瑞微高频开关

高频开关（500V硅基MOS推荐）

高频开关（650V硅基MOS推荐）

硅基MOSFET： 500V/650V硅基MOS：采用沟槽式结构，适用于中低频（<500kHz）、中等功率场景，如辅助电源或低压侧开关，导通电阻低至30mΩ以下，支持快速开关响应。

高频开关（600V超结MOS推荐）

高频开关（650V超结MOS推荐）

超结MOSFET（600V/650V/800V）：通过电荷平衡技术突破硅基材料限制，实现高耐压与低导通电阻的平衡（如650V型号Rds(on)≤15mΩ），适用于1MHz以上高频场合，可显著减小磁性元件体积，提升功率密度。

高频开关（800V超结MOS推荐）

高频开关（650V碳化硅MOS推荐）

高频开关（1200V碳化硅MOS推荐）

高频开关（1700V碳化硅MOS推荐）

碳化硅MOSFET（650V/1200V/1700V）：针对800V高压输入与超高频率（>2MHz）场景，碳化硅器件展现出无可替代的优势：

材料特性：禁带宽度是硅的3倍，支持更高结温（175℃）与耐压，开关损耗降低70%以上，适用于全碳化硅LLC拓扑，转换效率可达98.5%。

第三代AI PSU：三相架构与400V配电

为了进一步提高机架功率，第三代 AI PSU 将采用更具颠覆性的机架架构，如下所示：

PSU输入：从单相转为三相，以提高功率密度，并降低成本

电源架PSU输出电压：从50V提升到400V，以降低母线电流、损耗和成本

三相输入和 400 V 输出 PSU 的示例实现，其中包含推荐的设备和技术。PFC 级是 Vienna 转换器，这是三相 PFC 应用的流行拓扑。它的主要优势在于，由于其分离总线电压，它允许使用 650 V 设备，使用两倍数量的背对背 CoolSiC MOSFET 650 V 和 CoolSiC 1200 V 二极管。由于 PFC 输出是分离电容器，因此每个电容器电压为 430 V，并向全桥 LLC 转换器供电，初级和次级侧均配备 CoolGaN 晶体管 650 V。两个 LLC 级在初级侧串联，在次级侧并联，以向 400 V 母线供电。

或者，两个背靠背的 CoolSiC MOSFET 650 V 可以用 CoolGaN 双向开关 (BDS) 650 V 代替，后者是真正的常闭单片双向开关。这意味着单个 CoolGaN BDS 可以取代四个分立电源开关，以获得相同的 RDS(on)，因为它在 RDS(on)/mm2 方面具有高效的芯片尺寸利用率。

推荐使用萨瑞微碳化硅二极管MOS系列

SIC SBD推荐

同步整流MOS管推荐

在DC-DC变换器的次级整流中，同步整流MOS管替代传统二极管，消除肖特基势垒电压，大幅降低导通损耗：

产品特性：低栅极电荷（Qg<10nC）与极低导通电阻（如40V耐压型号Rds(on)≤5mΩ），支持全负载范围高效运行。内置体二极管反向恢复电荷（Qrr）极低，减少振荡与EMI干扰，适配高频同步整流控制方案。

技术优势：配合驱动电路实现ZVS（零电压开关）或ZCS（零电流开关），在10kW以上功率模块中，可将整流效率从95%提升至99%以上。

WBG 对 AI PSU 的好处

宽带隙 (WBG) 半导体（例如 CoolGaN）成为 AI PSU 的最佳选择，因为它们在更高的开关频率下提供最佳效率，从而实现更高功率密度的转换器，而不会影响转换效率。

除了 AI PSU 的标称功率显著上升外，GPU 还会吸收更高的峰值功率并产生高负载瞬变，如图 7 所示。因此，DC-DC 级输出必须足够动态，而电压过冲和下冲必须保持在规定的限值内。可以通过提高开关频率来增加 DC-DC 级输出动态，从而增加控制环路带宽。

CoolGaN 器件因其卓越的 FoM 和 Si、SiC 和 GaN 器件中最低的开关损耗而轻松满足了更高开关频率的要求。尤其是在软开关 LLC 转换器中，CoolGaN 具有最低的输出电容电荷 (Qoss)，这对于更轻松地实现 ZVS（零电压开关）起着至关重要的作用。随后，这有助于更精确地设置死区时间，从而消除不必要的死区时间传导损耗。