探索SiC和GaN如何重塑PSU电源设计，以满足AI 处理器日益增长的电力需求
发布时间：
2025-05-09 00:00
在处理复杂的人工智能（AI）和机器学习（ML）工作负载时，大型语言模型（LLMs）和其他神经网络会消耗大量电能。传统电源供应单元（PSU）是为传统服务器架构设计的，难以高效应对基于GPU的AI加速器日益增长的功耗需求。为了满足不断演进的工作负载要求，数据中心运营商亟需具备可扩展性的电力传输系统，在不增加成本、电能消耗或冷却负担的前提下，仍能保持在既有热设计和物理空间限制内运行。
电源供应单元（PSU）是数据中心电力系统的核心，它将电网输入的高压交流电（AC）转换为服务器机架内各组件所需的低压直流电（DC）。为了在提升输出功率和能效的同时，尽量减少能量损耗并有效管理热量，许多工程师正采用融合传统硅（Si）与宽禁带（WBG）半导体材料——如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）——的新型架构。这些材料能在高强度AI工作负载下，显著提升开关性能和热稳定性。
本文将重点探讨这三类功率半导体在电源设计中的互补作用，并介绍这些技术如何被集成至英飞凌多个代际的PSU参考设计中，功率范围覆盖3千瓦至12千瓦。
硅：还能满足AI时代的电力需求吗？
硅长期以来一直是电力电子的基础材料，但在高性能、高密度应用场景中，如AI服务器机架及其他数据中心基础设施，其物理性能瓶颈日益显现。
如今，高性能GPU的功耗已高达每颗1000瓦，预计到本十年末将突破2000瓦，几乎相当于几年前一整台传统服务器的总功耗。随着AI硬件和应用持续扩展，PSU的功率等级必须从常规的约800瓦提升至5.5千瓦甚至更高。英飞凌预计，到2030年，数据中心的用电量可能占全球总电力的7%——大致相当于印度当前的全国用电水平。
电力需求的激增，加之电网本身存在的限制，如变电站容量有限、输电瓶颈以及可再生能源输出波动等问题，使得在数据中心部署更高效的电力系统变得尤为紧迫。为避免高昂的新建成本，或将AC-DC电源模块外置至独立机架，许多运营商正选择在不改变现有机架尺寸的前提下，提高功率密度。
随着对更高电压、更快开关频率以及更高功率密度的需求不断增长，传统的基于硅的器件——如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）——正在逼近其性能与效率的极限。
为满足计算密集型AI与ML工作负载的需求，最新一代的PSU大量采用宽禁带半导体（WBG），如碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN），它们具备更低的导通电阻（RDS(on)）、更高的开关速度及更低的能量损耗。尽管这些材料在电力处理能力方面表现出色，其成本也正逐步接近硅。随着量产规模扩大和设计工艺日趋成熟，价格有望大幅下降。这一趋势使得SiC和GaN功率器件成为设计高密度、高效率且具备良好热优化能力的PSU中，实用且理想的硅补充方案。
然而，在效率、功率密度与成本方面，这三种技术各有取舍。为了明确它们在当前及未来AI供电系统中的具体作用，本文将深入剖析英飞凌电源设计的演进过程，以应对AI数据中心日益增长的功耗挑战。其解决方案覆盖3至12千瓦功率区间，输出电压最高可达50伏直流电，用于支持AI服务器机架中的总线供电系统（见图1）。
这些设计的能效可达98%，满足严格的维持时间（hold-up time）要求，功率密度最高达到每立方英寸100瓦（100 W/in³）。其中部分设计符合开放计算项目（OCP）ORv3标准，并支持高达250千瓦乃至更高的机架级负载。
3KW 电源模块：基于SiC功率开关的优势
首代AI电源模块采用前级无桥图腾柱功率因数校正（PFC）变换器，后级为隔离式半桥串-并联谐振LLC变换器。该3千瓦PSU利用CoolSiC MOSFET与CoolMOS开关器件，在配备直流风扇的情况下可实现高达97.5%的峰值效率，在无风扇条件下效率为97.4%。其结构紧凑，尺寸为73.5 × 520 × 40毫米，功率密度约为32 W/in³。
在OCP ORv3架构中，服务器机架中的每个电源“shelf”包含多个PSU。电源shelf的输入为400至480伏的三相交流电，而每个PSU的输入为230至277伏的单相交流电。PSU输出稳定控制的直流电压（如48伏或50伏），供电至机架内的汇流排，为AI服务器及位于机架下方的电池备份单元（BBU）供电。
在50%负载下，图腾柱PFC阶段的主要损耗来自半桥升压开关器件，这些器件大多工作在硬开关状态。为此，该设计采用650伏CoolSiC MOSFET（4引脚封装），其寄生电容极低，适用于高频开关应用。在图腾柱结构的“慢臂”中，采用硅基CoolMOS代替整流二极管，实现同步整流（SR），从而降低导通损耗。
SiC MOSFET在大电流、高电压应用中表现尤为出色。由于SiC材料具备更高的热导率，其反向恢复电荷（Qrr）极小，导通电阻RDS(on)在高温下的稳定性优于硅基MOSFET。它们能在软开关与硬开关拓扑中均实现性能优化。在图腾柱PFC阶段，当系统以千瓦级功率运行并处于硬开关的连续导通模式（CCM）时，SiC器件支持更高的开关频率、降低换流损耗，并显著提升整体效率。
在LLC变换器阶段，变压器损耗是主要损耗来源之一，同时也存在显著的开关与驱动损耗。为了优化性能与功率密度，该变换器在较低的谐振频率下运行，频率为93 kHz。针对这一频率范围与电路板尺寸，硅基CoolMOS器件提供了最佳的性价比。
硅、SiC与GaN的互补特性
第二代产品是一款高频、高功率密度的3.3千瓦PSU，融合了硅、碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）三种功率开关技术，以最大化系统的效率、功率密度与整体成本效益。前级AC-DC变换器采用基于CoolSiC的双相交错式无桥图腾柱PFC结构，后级隔离型DC-DC阶段则采用工作频率达500 kHz的GaN半桥LLC变换器，并配有全桥整流电路。
该PFC阶段由两组交错式图腾柱结构组成，在快臂部分共使用了四颗650伏CoolSiC MOSFET器件。通过对电路进行精细优化，系统的电磁干扰（EMI）性能也得到显著提升。值得注意的是，PFC回路中通过优化零交越切换序列，并在慢臂部分使用四颗600伏的CoolMOS超结（SJ）MOSFET，实现了对线路和中性线正向峰值EMI的有效抑制。
与首代3千瓦PSU相比，这款3.3千瓦设计的谐振开关频率显著提高，达到500 kHz。为适应这一高频运行条件，其LLC阶段全面采用四颗CoolGaN器件替代原有CoolMOS，从而在高频条件下实现更优的效率与功率密度。
GaN功率器件特别适用于对高频开关要求严格的场景。由于其本身不含体二极管，具有零反向恢复电荷（Qrr），从而大幅降低开关损耗。这一特性支持更短的死区时间（dead time），进而减少额外的导通损耗。GaN还具备极低的输出电容电荷（Qoss），有利于实现零电压开关（ZVS），尤其适用于软开关的LLC变换器。此外，在图腾柱PFC等硬开关的半桥拓扑中，GaN同样能够提升运行效率。
该设计还采用了Kelvin源引脚连接结构。在LLC变换器中，用于同步整流的80伏OptiMOS开关器件配备专用的栅极驱动器，进一步降低开关损耗，并支持高精度、高频率的开关操作。
该设计在AC-DC整流器与DC-DC变换器之间引入了“辅助升压电路”升压变换器，以满足服务器应用中10毫秒的维持时间（hold-up time）要求，而无需显著增加大容量电容。该模块的加入有效减小了电容体积，从而有助于进一步提升整体功率密度（见图2）。该PSU在无内部冷却风扇的条件下实现了高达97.4%的峰值效率，其整体尺寸为72 × 192 × 40毫米，对应的功率密度高达98 W/in³。
8KW PSU：SiC、GaN与Si器件的深度集成方案
随着高性能AI芯片将数据中心每机架的功率需求推高至100千瓦以上，在有限空间内提供更大功率已成为关键问题。为应对这一挑战，英飞凌推出了一款单相8千瓦PSU参考设计板。该设计在3.3千瓦架构基础上进一步扩展功率等级，更大程度地集成硅、碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）三类半导体技术，以在性能、尺寸与成本之间实现最优平衡。
该电源的前级采用无桥交错式图腾柱PFC变换器，用于调节中间高压母线电压。由于电流压力显著提升，PFC阶段中无论是快臂还是慢臂，全部功率开关器件均采用SiC器件。每组交错式图腾柱中，两个SiC MOSFET器件并联，以降低等效导通电阻RDS(on)，减少导通损耗。快臂共配置八颗650伏、40毫欧的SiC MOSFET，而慢臂则采用四颗650伏、10毫欧的SiC MOSFET。
后级为隔离式LLC变换器，用于稳定输出50伏的直流电压。其主侧由八颗650伏GaN功率器件组成，以降低高频条件下的驱动损耗与开关损耗。该全桥驱动单元位于独立的子卡（daughter card）上，驱动两组串联的高频变压器。DC-DC变换器的副边同步整流部分采用基于硅的80伏OptiMOS MOSFET器件。
为满足服务器对维持时间（hold-up time）的要求，该设计集成了更先进的“辅助升压电路”升压变换器，可在输入交流电压中断时，仍能在满载功率下维持长达20毫秒的供电。正常运行期间，该辅助升压变换器（亦称为维持时间扩展电路）处于闲置状态，并通过一颗600伏CoolMOS超结MOSFET进行旁路。
总体而言，该8千瓦参考设计在230伏交流输入条件下实现了97.5%的峰值效率，并在30%至100%负载范围内维持不低于96.5%的效率（含风扇功耗）。其外形尺寸为73.5 × 450 × 40毫米，功率密度高达100 W/in³，是OCP ORv3规范要求的两倍。此外，借助数字控制、集成磁件及优化的热设计，该系统实现了进一步的能效提升。
12KW PSU：从单级到三电平变换拓扑的演进
在电源发展路线图中，下一阶段是面向数据中心高效能量转换的单相12千瓦PSU参考设计，代表了最新技术进展。该设计采用模块化架构，由两个6千瓦模块构成，每个模块尺寸为1/2 U，可组合实现输出功率的灵活扩展。模块化设计不仅提高了轻载效率，还简化了制造工艺，并显著提升功率密度。
该PSU将在PFC与LLC两个变换阶段均采用完整的三电平变换拓扑结构，使系统可通过低电压等级的半导体开关器件，在更高输入电压下稳定运行。
上一代采用的两电平图腾柱PFC将被基于400伏CoolSiC MOSFET的新型三电平“飞跨电容”图腾柱PFC拓扑所取代。多电平拓扑的一大优势在于，其等效开关频率可按“级数减一”的倍数增加，有效提升器件性能。因此，三电平飞跨电容拓扑可大幅减小PFC电感尺寸，改善EMI性能。这不仅有助于提升功率密度，同时也因改善内部风扇的气流路径而增强散热能力。
不同于传统LLC拓扑，该DC-DC变换阶段以直流变压器（DC Transformer）方式运行，提供更快的动态响应能力，以适应GPU快速负载变化的需求，并实现最大效率。这些GPU在瞬时满载时会产生大幅电流跃变，造成严重的负载扰动。为抑制电压过冲与下冲，DC-DC变换器必须具备快速调整输出电压的能力。该三相LLC变换器将采用宽禁带（WBG）半导体，以实现更高的开关频率，进而扩大控制环带宽，并提升输出电压的动态调控能力。
为应对上述瞬时功率冲击，系统还采用了更先进的数字控制器。在PSU层面，负载跃变速度最高可达每微秒2.5安培。该12千瓦电源中，数字控制由英飞凌的PSoC 3与XMC系列微控制器（MCU）实现，具备实时监控、预测性维护和远程诊断等功能，从而进一步提升系统运行时间与可靠性。
本设计采用电力脉动缓冲电路，取代此前架构中的“辅助升压电路”变换器。该电路能够平滑来自电网的输入电流，并减少为满足维持时间要求而需配置的大容量电容。
借助先进的热管理设计与高性能器件，12千瓦PSU可实现高达97.5%的峰值效率，功率密度超过100 W/in³，其物理尺寸为69 × 720 × 40毫米。
借助宽禁带半导体器件，重塑PSU设计
这些PSU参考设计勾勒出从3千瓦和3.3千瓦向新一代8千瓦与12千瓦演进的清晰升级路径，既可用于新建AI数据中心部署，也可替代传统AI电源系统。
更重要的是，它们体现了行业向数字化、高效率电源系统转型的整体趋势，以适应下一代AI工作负载需求。通过策略性地将CoolMOS、CoolSiC与CoolGaN器件集成到不断演化优化的电源拓扑结构中，这些方案在系统级实现了散热管理与运行可靠性的最优化。随着数据中心不断追求更高密度、更高能效与更低碳排放，英飞凌的参考设计为实现高性能、可持续的电力传输奠定了坚实基础。