效率高達99.4%！AI推動數(shù)據(jù)中心電源創(chuàng)新

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）AI的需求帶動了數(shù)據(jù)中心的升級，高算力AI芯片帶來了更高的功率，以至于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心整機柜的功率提升幅度也相當(dāng)驚人。納微半導(dǎo)體預(yù)測，2024年數(shù)據(jù)中心整機柜功率平均達到100kW，到2025年將提升至150kW，并繼續(xù)保持高增長至2027年可能將會達到360kW。

整機柜的功率提升，也對服務(wù)器電源提出了更高的要求，需要更高的功率密度和更高的轉(zhuǎn)換效率。納微在中國電源學(xué)會年會2024上，介紹了一種服務(wù)器電源方案，采用GaN HEMT IC+Si MOSFET的組合，峰值效率能夠達到99.4%，遠遠高于當(dāng)前服務(wù)器電源80Plus鈦金級最高96%的效率要求。

3.2kW GaN基交錯并聯(lián)圖騰柱PFC

一般在2.7kW到4.5kW的中大功率服務(wù)器電源中，都會采用二級拓撲架構(gòu)，其中后級一般使用全橋或半橋LLC，主要采用變頻控制，可以實現(xiàn)軟開關(guān)，效率能夠達到98%以上。

而前級則采用交錯并聯(lián)的PFC，控制方法更加多樣，而且工作方式不同，效率也會有很大差異。因此在前級會是提升電源效率的改進重點。

PFC主要有兩種工作模式，包括電流連續(xù)模式（CCM）和臨界導(dǎo)通模式（CrM）。CCM模式的好處是紋波電流小，導(dǎo)通損耗小，而且可以在100kHz以下定頻工作；但也有缺點，比如主開關(guān)管硬開通，開關(guān)損耗大，峰值效率只能做到99%。

而CrM的優(yōu)勢相比CCM非常明顯，首先是可以實現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，能夠?qū)㈤_關(guān)損耗做到最低，因此峰值效率進一步提升到99.4%。在99%以上，每0.1%的效率提升都伴隨著更多的難題，包括開關(guān)頻率帶來的損耗、散熱、驅(qū)動、EMI等一系列問題。

納微半導(dǎo)體高級應(yīng)用工程師余文浩也表示，CrM的問題在于紋波電流會比較大，導(dǎo)致?lián)p耗相對較高，同時變頻工作下驅(qū)動算法會更加復(fù)雜。但依然要采用CrM，必然有更深層的原因。

據(jù)介紹，CrM由于可以實現(xiàn)軟開關(guān)，可以將頻率提升至幾百K甚至兆赫茲的水平，也就能大幅提高功率密度，同時保持高效率。而主要的技術(shù)難點在于三個方面，包括系統(tǒng)閉環(huán)控制、相位交錯控制、全范圍ZVS（零電壓開關(guān)）。

圖源：納微半導(dǎo)體

納微基于這些控制難點，推出了一個99.4%效率的3.2kW GaN基交錯并聯(lián)圖騰柱PFC平臺，在開關(guān)管方面，選擇了4顆納微GaN Safe系列的NV6515（650V,32mΩ max）IC，和2顆英飛凌IPT60R040S7 硅MOSFET，并且提供40微亨和200微亨兩種電感規(guī)格，分別為高效率和高功率密度場景設(shè)計。

圖源：納微半導(dǎo)體

在實測的效率曲線中，在使用200微亨電感，CrM開關(guān)頻率在300K左右時，峰值效率可以達到99.447%。但這主要適用于體積不受限，追求極致效率的場景。如果是需要對功率密度有要求的場景，CrM開關(guān)頻率則要做到500K或者更高，這個時候峰值效率也可以額達到99.3%的高等級。

小結(jié)：

在服務(wù)器電源的發(fā)展中，隨著AI芯片的算力越來越高，功耗越來越大，電源的高功率密度和高效率將會越來越重要。在高效率電源中，采用第三代半導(dǎo)體器件，以及創(chuàng)新的電源架構(gòu)，將會是未來的趨勢。