如今所有东西都存储在云端，但云究竟在哪里？

答案是数据中心。我们对图片、视频和其他内容的无尽需求，正推动着数据中心行业蓬勃发展。

国际能源署(IEA)指出，人工智能(AI)行业的迅猛发展正导致数据中心电力需求激增。预计在2022年到2025年的三年间，数据中心的耗电量将翻一番以上。 这不仅增加了运营成本，还给早已不堪重负的老旧电力基础设施带来了巨大的压力，亟需大规模的投资升级。

随着数据中心耗电量急剧增加，行业更迫切地需要能够高效转换电力的功率半导体。这种需求的增长一方面是为了降低运营成本，另一方面是为了减少温室气体排放，以实现净零排放的目标。此外，业界也在不断追求成本更低、尺寸更小的数据中心电源系统。

散热是数据中心面临的另一个重大挑战。据估计，当今大多数数据中心散热系统的电力消耗占比超过40%。实际上，对于电源效率，浪费的能源主要以热量形式散失，而这些热能又需要通过数据中心的空调系统排放出去。因此，电源转换效率越高，产生的热量就越少，相应地，在散热方面的电费支出也就越低。

数据中心的AC-DC转换要求

让我们更详细地了解数据中心电源系统的需求，以及器件供应商应对这些挑战的做法。数据中心内的功率密度正加速攀升，电源供应器(PSU)供应商致力于提高标准1U机架的功率能力（图1）。大约十年前，每个机架的平均功率密度约为4至5kW，但当今的超大规模云计算公司（例如亚马逊、微软或Facebook）通常要求每个机架的功率密度达到20至30kW。一些专业系统的要求甚至更高，要求每个机架的功率密度达到100kW以上。

图1：数据中心的电力输送-从电网到GPU

由于数据中心电源存放空间以及用于散热和管理电源转换热损耗的空间有限，高功率密度要求数据中心电源采用紧凑的小尺寸设计，并同时具备高能效特性。

然而，挑战不仅在于提高整体能效，电源还必须满足数据中心行业的特定需求。例如，所有AI数据中心PSU都应满足严格的Open Rack V3(ORV3)基本规范。

最近，数据中心服务器机架提供商推出了一种新型AC-DC PSU，其标称输入范围为200至277VAC，输出为50VDC，符合ORV3标准。该标准要求在30%至100%负载条件下峰值效率达到97.5%以上，在10%至30%负载条件下最低效率达到94%。

数据中心服务器机架电源供应器的拓扑选择

功率因数校正(PFC)级是PSU中AC-DC转换的关键组成部分，对于实现高能效非常重要。PFC级负责整形输入电流，以尽可能放大有用功率与总输入功率之比。为满足IEC 61000-3-2等法规中的电磁兼容性(EMC)标准，并确保符合ENERGY STAR®等能效规范，PFC设计也是关键所在。

对于数据中心电源等许多应用，最好选用“图腾柱”PFC拓扑来设计PFC级。该拓扑通常用于数据中心3kW至8kW系统电源中的PFC功能块（图2）。图腾柱PFC级基于MOSFET，通过移除体积大且损耗高的桥式整流器，提高了交流电源的能效和功率密度。

图2：图腾柱PFC级

然而，为了实现超大规模数据中心公司要求的97.5%或更高的能效，图腾柱PFC需使用基于“宽禁带”半导体材料（如碳化硅(SiC)的MOSFET。如今，所有PFC级均采用SiC MOSFET作为快速开关桥臂，并使用硅基超级结MOSFET作为相位或慢速桥臂。

与硅MOSFET相比，SiC MOSFET性能更优、能效也更高，且稳健可靠，在高温下表现更出色，可以在更高的开关频率下运行。

与硅基超级结MOSFET相比，SiC MOSFET在输出电容中储存的能量(E_OSS)较低，而这对于数据中心实现低负载目标至关重要，因为PFC级的开关损耗主要来源于E_OSS和栅极电荷相对较高的器件。较低的E_OSS可大大减少开关过程中的能量损失，从而提高数据中心图腾柱PFC快速桥臂的能效。此外，由于SiC器件具有出色的热导率，相当于硅基器件的三倍，因此与硅基超级结MOSFET相比，SiC MOSFET具有更好的正温度系数R_DS(ON)。

下图为650V SiC MOSFET导通电阻与结温的关系。（图3）（结温为175℃时的导通电阻比室温时的导通电阻高1.5倍。）

图3：650V SiC MOSFET导通电阻与结温的关系

同样，下图（图4）为650V超级结MOSFET的导通电阻与结温的关系。结温为175℃时的导通电阻比室温下的导通电阻高2.5倍以上。

图4：650V硅基超级结MOSFET导通电阻与结温的关系

比较额定R_DS(ON)类似的硅基650V超级结MOSFET与650V SiC MOSFET，在结温(Tj)为175℃时，前者的导通电阻(R_DS(ON))提高到约50mohm，而此时后者的R_DS(ON)约为30mohm。在高温运行期间，650V SiC MOSFET的导通损耗更低。

在数据中心图腾柱PFC慢速桥臂功能块和LLC功能块中，导通损耗占总功率损耗的大部分。SiC MOSFET在较高结温下的R_DS(ON)较低，有助于提高系统能效。

得益于在高温下R_DS(ON)增幅较小且E_OSS出色，SiC MOSFET在数据中心图腾柱PFC拓扑中表现突出，更有助于提高能效并减少数据中心能量损失。

新型SiC MOSFET技术实现出色的数据中心系统能效

安森美(onsemi)的650V M3S EliteSiC MOSFET（包括NTBL032N065M3S和NTBL023N065M3S）提供优越的数据中心电源开关性能，并大大提高了PFC和LLC级的数据中心系统能效。M3S EliteSiC技术性能远远超过其前代产品，其中栅极电荷降低了50%，E_OSS降低了44%，输出电容 (Q_OSS) 中存储的电荷也减少了44%。用于PFC级的硬开关拓扑中时，出色的E_OSS性能可进一步提高轻载下的数据中心系统能效。此外，较低的Q_OSS简化了LLC级软开关拓扑的谐振储能电感设计。

得益于出色的数据中心电源开关性能和能效，M3S EliteSiC MOSFET散发的热量更少。除了有助于减小数据中心系统的散热要求之外，该器件还能在高工作频率的PFC和DC-DC功能块中（例如电动汽车(EV)的壁挂式直流充电桩中）以较低温度运行。

此外，在相同电压等级下，M3S EliteSiC MOSFET的栅极电荷Qg更加优越，并能降低栅极驱动损耗。同时，出色的Qgs和Qgd也有助于降低数据中心电源开关导通和关断损耗。在LLC功能块中，当V_DS从关断状态转换到二极管导通状态时，需要对数据中心系统输出电容进行充电。为了快速完成这一过程，必须使用低瞬态输出电容(C_OSS(TR))。瞬态C_OSS在这里之所以非常重要，是因为它可以最大限度地减少谐振储能的循环损耗，并缩短LLC的死区时间，从而减少初级侧的循环损耗。低导通电阻能够尽可能地减少导通损耗，而低E_OFF有助于进一步降低开关损耗。总体而言，提升数据中心系统能效是一大关键性能标准，这使得SiC MOSFET成为数据中心PFC和LLC级的优选方案。

新型EliteSiC MOSFET也非常适合能源基础设施应用，例如光伏(PV)发电机、储能系统(ESS)、不间断电源(UPS)和电动汽车充电站。数据中心电源设计工程师可以使用M3S EliteSiC MOSFET来减小整体系统尺寸，进而帮助提高工作频率。从数据中心系统角度来看，与硅基650V超级结MOSFET相比，M3S EliteSiC MOSFET可帮助设计工程师降低数据中心系统成本。

总之，在成本、EMI、高温运行和基于相同R_DS(ON)的数据中心电源开关性能方面，新型EliteSiC MOSFET可以与市场上的超级结MOSFET相媲美。相较于超级结MOSFET，采用相同封装的650V M3S EliteSiC MOSFET可实现更低的R_DS(ON)，有助于提高LLC拓扑的数据中心系统能效。与其他硅基替代器件相比，其突出优势在于数据中心电源开关损耗显著降低。

图5：650V M3S EliteSiC MOSFET的优势

结论

本文简要探讨了超大规模数据中心日益增长的电力需求对高效电源转换提出的更高标准。人工智能有望引领世界变革，为了让我们现有的电网能够满足AI驱动的云计算迅猛发展的需求，我们迫切需要提高能效。

采用SiC MOSFET可以显著提高PFC和LLC级的能效。安森美的650V M3S EliteSiC MOSFET能够大幅提升超大规模数据中心系统的PFC和LLC级的能效。650V M3S EliteSiC MOSFET具有更低的栅极电荷、E_OSS和Q_OSS，可以提高能效并简化PFC和LLC级中的硬开关拓扑设计，从而有助于减少电力消耗，降低数据中心系统运营成本。