前言

人工智能（AI）的迅猛发展推动了AI数据中心处理能力的显著增长。如图1所示，英飞凌预测单台GPU的功耗将呈指数级上升，预计到2030年将达到约2000W^[1]，而AI服务器机架的峰值功耗将突破惊人的300kW。这一趋势促使AI数据中心机架的AC和DC配电系统进行架构升级，重在减少从电网到核心AI设备的电力转换和配送过程中的功率损耗。

图1：基于x86和Arm®架构的AI服务器CPU与GPU和TPU的电力需求对比

图2（右）展示了开放计算项目（OCP）AI服务器机架供电架构的示例。每个电源架由三相输入供电，可容纳多台PSU；每台PSU由单相输入供电。AI服务器机架将直流电压（例如，50V）输出到母线，母线则连接到IT和电池架。

AI的发展趋势要求对PSU功率进行革新，如图2（左）所示。接下来，我们将通过各代PSU的拓扑结构和AI应用器件技术建议示例，来逐步介绍这些PSU的演变。

图2 ：AI服务器PSU的功率演变（左）；服务器机架架构示例（右）

AI服务器机架PSU的趋势和功率演进

第一代AI PSU：在相同的架构下提升AI应用功率，~5.5-8kW、50V_out、277V_ac、单相

当前的AI服务器PSU大多遵循ORv3-HPR标准[9]。相较于先前的ORv3 3kW标准[9]，该AI应用标准的大部分要求（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AI应用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（400-480Vac L-L）供电（见图2），但每台PSU的输入仍为单相（230-277Vac）。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^TM MOSFET用于快臂开关，600V CoolMOS^TM SJ MOSFET用于慢臂开关。DC-DC级可以选用650V CoolGaN^TM晶体管的全桥LLC，次级全桥整流器和ORing则使用80V OptiMOS^TM Power MOSFET。此外，示例还展示了一个中间级，也称“延长保持时间”或“小型升压”，其作用是减小大容量电容器的尺寸。该中间级由一个升压转换器组成，在线路周期掉电事件期间，通过储能电容器放电，以调节LLC输入电压。在正常运行期间，升压转换器保持空闲状态，并通过低阻抗的600V CoolMOS^TM SJ MOSFET旁路。

图3：第一代AI PSU的拓扑结构及AI应用器件技术示例

第二代AI PSU：增加线路电压，以实现更高的AI应用功率，~8-12kW、50V_out、277–347V_ac、单相

如上所述，随着AI服务器机架功率增加到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AI服务器机架的功率增加，AI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AI应用交流配电的电流和损耗，部分AI数据中心可能会将机架的交流配电电压从400/480V提高到600V_ac L–L（三相），同时将PSU的输入电压从230/277V_ac提高到347V_ac（单相）。

虽然这一变化有利于AI数据中心的运行效率和资源利用，但会影响PSU的额定电压和设计。在347V_ac的输入电压下，PFC的输出电压必须设定在575V_dc左右，这意味着传统的650V器件的额定电压已无法满足要求。图4展示了一个示例：第一代PSU使用的两电平图腾柱PFC被替换为400V CoolSiC^TM MOSFET的三电平飞电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）级。多电平功率转换概念使得在使用较低额定电压的AI服务器开关器件的同时，支持更高的输入电压。凭借多电平拓扑结构的频率倍增效应，3-L FCTP PFC能够带来更高的AI应用效率和功率密度。最重要的是，CoolSiC^TM技术针对400V的较低击穿电压进行了优化，与650V和750V CoolSiC^TM参考器件相比，其FoM更为优异（见图5（左））。此外，图5（右）显示了导通电阻在整个温度范围内的曲线，其中，400V CoolSiC^TM MOSFET的R_{DS(on) 100°C}仅比R_{DS(on) 25°C}高11%。R_DS(on)与T_j之间的这一平缓关系有助于CoolSiC^TM MOSFET实现更高的R_{DS(on) typ}，从而降低AI应用成本并提升AI服务器开关性能。

图4：第二代AI PSU的拓扑结构和AI应用器件技术示例

图5：400V CoolSiC^TM与650V和750V CoolSiC^TM对比，具有更优的AI服务器开关FoM和稳定的R_DS(on)与结温的关系：品质因数（左），R_DS(on)与T_j（右）

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^TM MOSFET用于初级侧开关，80V OptiMOS^TM 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AI应用解决方案能够提供更高的功率，有效降低AI服务器输出电流的纹波，并通过三个AI服务器开关半桥之间的固有耦合实现自动电流分配。

第三代AI PSU：三相AI服务器架构与400V配电，最高AI应用功率约为22kW，400V_out，480-600V_ac，三相

为了进一步提高AI服务器机架功率，第三代AI PSU将采用更具颠覆性的AI服务器机架架构，具体如下：

· PSU输入：AI应用从单相转为三相，以提高AI应用功率密度，并降低AI应用成本

· 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

图6展示了一个三相输入、400V输出的PSU部署示例，以及推荐的AI服务器器件和技术。PFC级采用Vienna整流器，这是一种常用于三相PFC应用的拓扑结构。其主要优势在于采用分离式总线电压设计，因此可以使用650V器件：通过使用双倍数量的背靠背650V CoolSiC^TM MOSFET和1200V CoolSiC^TM二极管实现。PFC输出配置为分离式电容器，每个电容器电压为430V，并为全桥LLC转换器供电，该转换器在初级和次级侧均使用650V CoolGaN^TM晶体管。两个LLC级在初级侧串联，次级侧并联，以向400V母线供电。

此外，也可以将两个背靠背的650V CoolSiC^TM MOSFET替换为650V CoolGaN^TM双向开关（BDS），后者是真正的常关型单片双向开关。这意味着一个CoolGaN^TM BDS即可取代4个分立式电源开关，以实现相同的R_DS(on)，这是因为它在R_DS(on)/mm²方面具备更高的芯片尺寸利用率。

图6：第三代AI PSU的拓扑结构和AI应用器件技术示例

WBG为AI PSU带来的优势

CoolGaN^TM助力实现高峰值功率瞬变

宽禁带（WBG）半导体（例如，CoolGaN^TM[2]）能够在更高的AI服务器开关频率下，实现最佳效率，使转换器在不影响转换效率的前提下，实现更高的AI应用功率密度，因此，成为AI PSU的理想选择。

除了AI PSU的额定功率显著增加外，GPU在AI服务器运行时还会拉动更高的峰值功率，并产生高负载瞬变（见图7）。因此，DC-DC级的输出必须具有足够的动态响应能力，同时需确保电压的过冲和下冲保持在规定的范围内。通过提升AI服务器开关频率，并增加控制AI环路带宽，可以提高DC-DC级的输出动态响应能力。

图7：AI GPU所需的AI PSU峰值功率

400V CoolSiC^TM MOSFET可在3-L飞电容图腾柱PFC中实现最高AI应用效率

使用 CoolSiC^TM MOSFET 400V的三电平级飞跨电容图腾柱PFC（3-L FCTP PFC）不仅能够实现更高的交流输入电压（见第2.2节），且相较CoolSiC^TM 650V和750V参考器件，该AI应用品质因数（FoM）更佳，因此还能提供显著的AI应用功率密度和效率优势。经过优化的电感器设计（包括尺寸、材料和绕组）和3L拓扑结构中的R_DS(on)选择，结合更低的AI服务器开关损耗，能够实现平缓的效率曲线：峰值效率超过99.3%，满载效率超过99.15%（见图8）。

图8：AI应用效率对比：3-L FCTP PFC与2-L TP PFC

结论

为了满足AI数据中心对AI应用的需求，新一轮AI技术角逐已经启动，推动了AI服务器机架和PSU的电力需求大幅增长。其中，AI PSU的功率需求已经从3-5.5kW，提升到8-12kW（单相）和高达22kW（三相）。这种需求给AI数据中心运营商带来了新的挑战，即如何优化AI数据中心的空间和电力的效率和利用率。应对这些AI应用挑战需要采用新的机架架构和AC-DC配电配置，使得基于CoolSiC^TM和CoolGaN^TM的AI设计处于PSU设计的前沿，致力于实现最佳AI应用效率和AI服务器功率密度。

此外，新的宽禁带器件在新型拓扑结构中也展现了极佳的AI应用性价比，例如，在三电平飞跨电容图腾柱PFC中采用400V CoolSiC^TM MOSFET，或在三相Vienna PFC中使用650V CoolGaN^TM BDS（详见前文）。

总而言之，英飞凌的功率器件技术组合（硅、碳化硅和氮化镓）和经过优化的栅极驱动IC产品组合，通过AI混合应用，为当前和下一代AI应用平台及趋势的发展提供了支持。这些AI应用组合充分利用了三种技术的优势，使PSU设计实现了最佳灵活性，并在效率、功率密度和系统成本之间达成平衡。此外，英飞凌还率先推出了全球首项300毫米氮化镓功率半导体等先进技术，进一步推动了文章[10]中所述的未来AI服务器设计发展。

参考文献  

[1] Infineon Technologies AG: We power AI, Online Media Briefing; https://www.infineon.com/dgdl/Online-Media-Briefing-We-Power-AI.pdf?fileId=8ac78c8b901005350190112f55a20002

[2] Infineon Technologies AG: Wide Bandgap Semiconductors (SiC/GaN); https://www.infineon.com/cms/en/product/technology/wide-bandgap-semiconductors-sic-gan/

[3] Infineon Technologies AG: GaN transistors (GaN HEMTs); https://www.infineon.com/gan

[4] Infineon Technologies AG: Silicon Carbide MOSFET Discretes; https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/silicon-carbide/discretes/

[5] Infineon Technologies AG: Server and data center 3 kW 50 V PSU – Engineering report; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Evaluation_board_EVAL_3KW_50V_PSU-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46278d64ffd0178f986be9e08a7

[6] Infineon Technologies AG: 3300 W CCM bidirectional totem pole with 650 V CoolSiC™ and XMC™– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Evaluationboard_EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626fc1ce0b016fc2ae66e20040

Infineon Technologies AG: 3.3 kW high-frequency and high-density PSU for server and datacenter applications; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-3.3_kW_high-frequency_and_high-density_PSU_for_server_and_datacenter_applications-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c90530b3a0190779314d375eb

[7] Infineon Technologies AG: CoolSiC™ totem-pole PFC design guide and power loss modeling– Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Application_note_CoolSiC_Totem_Pole_PFC_Design_and_Power_Loss_Modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c85ecb34701865a064ec24076

[8] Infineon Technologies AG: CoolGaN™ totem-pole PFC design guide and power loss modeling – Infineon Technologies application note; https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Design_guide_Gallium_Nitride-CoolGaN_totem-pole_PFC_power_loss_modeling-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4626d82c047016d95daec4a769a

[9] Open Compute Project Foundation: ORv3-HPR standard;

https://www.opencompute.org/wiki/Open_Rack/SpecsAndDesigns

[10] Infineon Technologies AG: Infineon pioneers world's first 300 mm power gallium nitride (GaN) technology – an industry game-changer; https://www.infineon.com/cms/en/about-infineon/press/press-releases/2024/INFXX202409-142.html

[11] Infineon Technologies AG: Powering AI PSU solutions; https://www.infineon.com/cms/en/product/promopages/AI-PSU/