今天这篇介绍AI数据中心供电系统中，宽禁带半导体器件的引入，以及Si/SiC/GaN器件的互补使用。
先介绍背景，
自2022年ChatGPT3.5上线以来，AI的火爆无需多言，
对功率器件产品，这是一个不容忽视的增长点。
大语言模型及其他神经网络在处理复杂机器学习工作负载时，会消耗大功率
传统电源供应单元（Power-SupplyUnits，PSUs）的设计基于传统服务器配置，无法有效满足图形处理器（GPU）的人工智能加速器需求。
为适应迅速变化的工作负载要求，数据中心运营商需要在现有散热和物理限制范围内，实现供电系统的规模化扩展，同时尽可能降低功耗及散热成本。
PSU是数据中心的电力核心，负责将电网的高压交流电（AC）转换为服务器机架内所有组件使用的低压直流电（DC），
为满足AI发展提出的最新要求，业界正在尝试新架构，将Si器件、SiC器件及GaN器件结合，各自扬长避短，
在高负载人工智能工作场景下，引入宽禁带半导体器件可以有效提升开关性能和热稳定性。
本文将以Infineon多代PSU设计中，这三种器件的集成应用为例，阐述三种材料功率器件的互补作用，功率范围覆盖3kW至12kW。
（1）Si器件：
长期以来，Si器件是电力电子领域的基础，但在AI数据中心基础设施这种高性能、高密度应用中，Si器件的物理局限日益凸显，
2025年，高性能GPU单台功耗高达1kW，预计2020年代末达到2kW甚至更高，这一数值已经相当于传统服务器的总功耗，
随着AI技术的高速发展，PSU的功率额定值必须从典型的800W左右，提升至5.5kW及以上，
Infineon估计，至2030年，数据中心的耗电量占全球总用电量的7%，大致相当于印度目前的全国能源消耗量。
而变电站容量有限、电网限制导致可再生能源发电存在波动性等问题，使其无法满足剧增的功率需求，
数据中心亟需更加高效的电力系统。
但，许多运营商出于种种考虑，并未投入成本重新建设，也没有将交直流电源供应器转移到独立机架，而是选择在保留现有机架的前提下，提高功率密度，
然而传统的Si基器件正逐渐逼近其性能上限，为满足AI的发展要求，最新的PSU已采用SiC、GaN等宽禁带半导体器件，
这类器件的特点是，具有更低的导通电阻、更快的开关速度、更低的开关损耗，
另，随着工艺成熟度的提高、规模效应的增强，宽禁带半导体器件的价格也在大幅下降，其成本正在接近Si器件水平。
性能的提升、成本的下降，使宽禁带半导体器件在AI时代，成为PSU中与Si器件进行互补的实用选择。
当然，Si、SiC、GaN器件在效率、功率密度和成本方面存在取舍，本文将讨论每种技术在AI供电领域的定位，
如上，Infineon数据中心PSU发展路线图，
最左边是第一代PSU，只有Si器件和SiC器件，3kW功率，
第二张图是第二代PSU，引入GaN器件，3.3kW功率。
各代PSU产品提供的功率范围从3kW到12kW，输出电压最高可达50V直流电，以支持人工智能服务器机架中的母线分配。
设计效率高达98%，功率密度最高可达100W/in3，多项设计符合OCPORv3标准，支持250kW及以上的机架级负载。
（2）SiC器件：
SiC器件先于GaN器件，打入3kWPSU领域，
Infineon的第一代人工智能PSU，前端采用无桥图腾柱功率因数校正（PFC）转换器，将交流输入（AC）转换为直流母线电压（DC），
后端采用隔离型半桥串并联谐振LLC转换器，将前端输出的高压直流转换为稳定的低压直流（如48V），并提供电气隔离。
这种3kWPSU采用CoolSiC™MOSFET（SiC器件）和CoolMOS™器件（Si器件），
若配备内置直流风扇，峰值效率可达97.5%，若不配置风扇，峰值效率为97.4%，
外形尺寸紧凑（73.5×520×40毫米），可实现约32W/in3的功率密度。
在OCPORv3架构中，服务器机架的每个电源架层均容纳多个PSU，
电源架层的输入为400V~480V三相交流电，每个PSU的输入为230V~277V的单相交流电，
PSU输出严格稳定的直流电压（如48V或50V）至机架内的母线，为AI服务器和机架下方的电池备用单元供电。
在50%负载条件下，前端PFC的损耗主要来自半桥升压开关，这些开关主要工作在硬开关状态，
为降低损耗，采用4引脚封装的650VCoolSiC™MOSFET，寄生电容较低，支持高开关频率，
在慢桥臂中，采用硅基CoolMOS™替代二极管整流器，实现同步整流，从而降低导通损耗。
在后端的LLC变换器，变压器损耗是主要损耗来源之一。为优化性能和功率密度，该变换器工作在相对较低的93kHz谐振频率，
对这一频率范围和电路板尺寸，硅基CoolMOS™器件具有最佳性价比，
概括来说，相比SiMOSFET，SiCMOSFET具有更高热导率、更优异的导通电阻温度稳定性，且反向恢复电荷极小，在软开关和硬开关拓扑中均能优化性能，
Infineon的第一代人工智能PSU（3kWPSU），在前端PFC电路中引入SiCMOSFET，使其支持更高开关频率、减少换相损耗并提高整体效率。
（3）Si器件、SiC器件和GaN器件的互补使用：
接下来，聊聊AI供电系统中，三种材料器件的互补使用，以Infineon第二代3.3kWPSU为例，
前端采用无桥图腾柱功率因数校正（PFC）变换器，以650VCoolSiC™MOSFET作为开关器件，将AC转换为DC，
后端采用半桥谐振LLC变换器，以GaN器件作为开关器件，将前端直流电压进一步转换为服务器所需的稳定低压直流电，
Infineon第二代3.3kWPSU的示意图如上，
看虚线框上面的标注，从左到右，依次是：PFC→Baby-BoostConverter→LLC（Primary）→LLC（Secondary），对应从电网到48/50V母线的能量转换路径，
PFC是整机的前端，负责AC-DC变换，直接连接交流电网（230V~277V交流电），
Infineon第二代3.3kWPSU采用如下设计：
PFC的快速桥臂采用SiCMOSFET（650VCoolSiCMOSFET），慢速桥臂采用SiMOSFET（600VCoolMOS），
PFC的输出是未隔离的直流母线高压，不能直接用于服务器。
接下来是Baby-BoostConverter，
这玩意本质上仍然是BoostConverter（升压转换器），只不过升压比很小，因此冠以Baby之名，这是口语称呼。
Baby-BoostConverter有何作用？
服务器标准（如OCPORv3）要求，若输入AC电压突然掉电，PFC的输出DC电压仍能维持在规范范围内至少10ms，为切换备用电源提供缓冲时间，
传统方案是在PFC输出端使用超大容量的电解电容来储存能量，缺点是体积大、成本高、寿命短，
Baby-Boost方案是通过一个小型、高效的升压电路，当输入掉电时，主动提高母线电压，以将电容上的能量更加充分地压榨出来，进而维持总线电压，
如此可以明显降低需要的电容容量。
正常工作时，Baby-BoostConverter被旁路，不参与工作。
这方案的本质，就是用一个电感和一组开关器件，替代了体积庞大的电解电容。
再往下，PrimarySideLLC，
此为主功率变换级，将高压DC转换为低压DC，并实现电气隔离，
与第一代PSU产品不同的是，Infineon在第二代产品的PrimarySideLLC中引入GaN器件，
众所周知，GaN器件的核心优势在于高频能力，且GaNHEMT不存在体二极管的结构特征使其反向恢复电荷为零，更大程度地降低开关损耗，
另外，GaN器件极低的输出电容电荷（Qoss）使其有助于实现零电压开关（ZVS）。
在GaN器件作用下，二代PSU产品的工作频率高达500kHz（第一代产品是93kHz），
最后是SecondarySideLLC，这名字容易误导，本质上它从属于PrimarySideLLC，而非并列关系，
因为PrimarySideLLC输出的是高频交流电，需要经由SecondarySideLLC整流，将高频交流电转换成服务器真正可用的低压直流电，
二代PSU产品采用低压MOSFET器件（80VOptiMOS）同步整流。
概览PSU产品的整体设计，
SiC器件位于前端，适合高压、大电流的PFC阶段，尤其在硬开关条件下表现优异，耐高温、损耗低，
GaN器件位于后端，适合高频、低压的DC-DC阶段，尤其在高频LLC拓扑中可实现高功率密度和低损耗。
然而随着AI的高速发展，3.3kW仍然不够，
高性能AI芯片已将数据中心的单机架功率规格提至100kW以上，传递到PSU端，要求在更小空间内，提供更多功率，
各家厂商不得不开始布局下一代更高功率的产品，
Infineon给出单相8kWPSU产品的参考设计，基于二代PSU产品架构，将其扩展至更高功率水平，
对三种材料器件进一步优化设计，以获得更优性能、更小尺寸和更低成本。
简单介绍8kWPSU产品设计，
示意图如上，
相比二代3.3kWPSU产品，主要差异有三：
1、8kWPSU产品的PFC端全部采用SiCMOSFET，其中快桥臂8只650VSiCMOSFET，慢桥臂4只650VSiCMOSFET，
通过全SiC器件设计，应对8kW功率下的高电流应力，利用SiC的高温稳定性和低开关损耗，提升PFC级效率。
2、升级版Baby-BoostConverter，可维持20ms电压保持时间，且能在100%满载下实现。
3、PrimarySideLLC，采用8只GaN器件（二代产品是4只），增强功率处理能力。
该8kWPSU产品设计的峰值效率达97.5%，在230V交流输入下，30%至100%负载范围内，最低效率维持在96.5%（包括风扇功耗），
外形尺寸73.5×450×40mm，功率密度100W/in3，这是OCPORv3规范要求的两倍。通过优化设计，进一步提升能量转换效率。
下一阶段是12kWPSU产品，相比8kW及之前产品，主要有以下差别，
1、采用模块化架构，由两个6kW模块组成，模块化设计可提升轻载效率和功率密度，实现可扩展的输出功率，并简化制造流程。
2、12kWPSU产品将在PFC、LLC级均采用全三电平变换拓扑，并采用更低额定电压（400V）的功率器件，电压应力减半，进一步提升效率。
3、LLC级，从谐振变换器转为DCTransformer（直流变压器），
为什么要如此改变？
因为在此功率级别下，GPU芯片的电流突变可达2.5A/µs，DC-DC必须具备极快的动态响应能力，以防电压过冲。
4、取消Baby-BoostConverter，采用功率脉动缓冲电路，从根本上减少对大电容容量的需求，进一步提升功率密度和可靠性。
概言之，从局部数字控制，升级为系统级全数字控制，
12kWPSU产品的峰值效率达97.5%，功率密度逾100W/in3，外形尺寸69×720×40mm。
总结这几代PSU产品的设计思路，底层逻辑是什么？
答：将性价比最高的材料器件，放在合适的位置。
宽禁带半导体器件当然好，但未必要处处使用，
于是SiC器件，高压+硬开关，典型位置是前端PFC，
GaN器件，高频+低栅电荷，典型位置是后端DC-DC，
Si器件，成本+稳定性，典型位置是慢桥臂、同步整流、旁路、缓冲。
俺不由得想象一个场景，
“洞妖洞妖，前方是AI数据中心，GPU就在城内，是否发动进攻，是否发动进攻，over!”
“洞拐洞拐，这里是指挥部，命你部立刻发起攻击，重复一遍，命你部立刻发起攻击，over!”
撂下对讲机，Infineon攻城狮神情肃穆，目光扫过麾下部队，
身为步卒的Si器件，身为骑兵的GaN器件，身为炮兵的SiC器件，
“听令！SiC火炮齐射，Si负责冲锋，GaN游走支援，一刻钟后发起进攻！”
小结：
1、为满足AI发展提出的最新要求，业界正在尝试将Si器件、SiC器件及GaN器件结合，优化PSU产品，
在高负载人工智能工作场景下，引入宽禁带半导体器件可以有效提升开关性能和热稳定性。
2、InfineonPSU产品路线图，第一代PSU只有Si器件和SiC器件，3kW功率，
第二代PSU引入GaN器件，3.3kW功率，
3.3kW、8kW、12kWPSU产品，均为Si器件、SiC器件和GaN器件协同设计。
各代PSU产品输出电压最高可达50V直流电，设计效率高达98%，功率密度最高可达100W/in3，多项设计符合OCPORv3标准，支持250kW及以上的机架级负载。
3、概览PSU产品的整体设计，
SiC器件位于前端，适合高压、大电流的PFC阶段，尤其在硬开关条件下表现优异，耐高温、损耗低，
GaN器件位于后端，适合高频、低压的DC-DC阶段，尤其在高频LLC拓扑中可实现高功率密度和低损耗。
在那些不需要极致性能的区域，Si器件提供成熟、可靠且低成本的选择。
三者结合，共同迎接AI时代的崭新机遇。
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