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作者：安森美產(chǎn)品線經(jīng)理 Wonhwa Lee 如今所有東西都存儲(chǔ)在云端，但云究竟在哪里？ 答案是數(shù)據(jù)中心。我們對(duì)圖片、視頻和其他內(nèi)容的無(wú)盡需求，正推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心行業(yè)蓬勃發(fā)展。 國(guó)際能源署 (IEA) 指出， 人工智能 (AI) 行業(yè)的迅猛發(fā)展正導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心電力需求激增。預(yù)計(jì)在 2022 年到 2025 年的三年間，數(shù)據(jù)中心的耗電量將翻一番以上。 這不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還給早已不堪重負(fù)的老舊電力基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)了巨大的壓力，亟需大規(guī)模的投資升級(jí)。 隨著數(shù)據(jù)中心耗電量急劇增加，行業(yè)更迫切地需要能夠高效轉(zhuǎn)換電力的功率半導(dǎo)體。這種需求的增長(zhǎng)一方面是為了降低運(yùn)營(yíng)成本，另一方面是為了減少溫室氣體排放，以實(shí)現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)。此外，業(yè)界也在不斷追求成本更低、尺寸更小的電源系統(tǒng)。 散熱是數(shù)據(jù)中心面臨的另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，當(dāng)今大多數(shù)數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的電力消耗占比超過(guò) 40%。 實(shí)際上，對(duì)于電源效率，浪費(fèi)的能源主要以熱量形式散失，而這些熱能又需要通過(guò)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)排放出去。因此，電源轉(zhuǎn)換效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少，相應(yīng)地，在散熱方面的電費(fèi)支出也就越低。 數(shù)據(jù)中心的 AC-DC 轉(zhuǎn)換要求 讓我們更詳細(xì)地了解數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的需求，以及器件供應(yīng)商應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的做法。數(shù)據(jù)中心內(nèi)的功率密度正加速攀升，電源供應(yīng)器 (PSU) 供應(yīng)商致力于提高標(biāo)準(zhǔn) 1U 機(jī)架的功率能力（圖 1）。大約十年前，每個(gè)機(jī)架的平均功率密度約為 4 至 5 kW，但當(dāng)今的超大規(guī)模云計(jì)算公司（例如亞馬遜、微軟或 Facebook）通常要求每個(gè)機(jī)架的功率密度達(dá)到 20 至 30 kW。一些專業(yè)系統(tǒng)的要求甚至更高，要求每個(gè)機(jī)架的功率密度達(dá)到 100kW 以上。 
Grid power 電網(wǎng)電源 GPU power GPU 電源 Utility Grid 公用電網(wǎng) Transformer 變壓器 Diesel Generator 柴油發(fā)電機(jī) Rack 機(jī)架 Tray 托盤(pán) Power Supply 電源 Intermediate Converter 中間轉(zhuǎn)換器 GPU Power Converter GPU 電源轉(zhuǎn)換器 Core Power 內(nèi)核電源 圖 1：數(shù)據(jù)中心的電力輸送 - 從電網(wǎng)到 GPU 由于電源存放空間以及用于散熱和管理電源轉(zhuǎn)換熱損耗的空間有限，高功率密度要求電源采用緊湊的小尺寸設(shè)計(jì)，并同時(shí)具備高能效特性。 然而，挑戰(zhàn)不僅在于提高整體能效，電源還必須滿足數(shù)據(jù)中心行業(yè)的特定需求。例如，所有 AI 數(shù)據(jù)中心 PSU 都應(yīng)滿足嚴(yán)格的 Open Rack V3 (ORV3) 基本規(guī)范。 最近，服務(wù)器機(jī)架提供商推出了一種新型 AC-DC PSU，其標(biāo)稱輸入范圍為 200 至 277 VAC，輸出為 50 VDC，符合 ORV3 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)要求在 30% 至 100% 負(fù)載條件下峰值效率達(dá)到 97.5% 以上，在 10% 至 30% 負(fù)載條件下最低效率達(dá)到 94%。 服務(wù)器機(jī)架電源供應(yīng)器的拓?fù)溥x擇 功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)是 PSU 中 AC-DC 轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高能效非常重要。PFC 級(jí)負(fù)責(zé)整形輸入電流，以盡可能放大有用功率與總輸入功率之比。為滿足 IEC 61000-3-2 等法規(guī)中的電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)，并確保符合 ENERGY STAR® 等能效規(guī)范，PFC 設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵所在。 對(duì)于數(shù)據(jù)中心等許多應(yīng)用，最好選用“圖騰柱”P(pán)FC 拓?fù)鋪?lái)設(shè)計(jì) PFC 級(jí)。該拓?fù)渫ǔＳ糜跀?shù)據(jù)中心 3 kW 至 8 kW 系統(tǒng)電源中的 PFC 功能塊（圖 2）。圖騰柱 PFC 級(jí)基于 MOSFET，通過(guò)移除體積大且損耗高的橋式整流器，提高了交流電源的能效和功率密度。
圖 2：圖騰柱 PFC 級(jí) 然而，為了實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心公司要求的 97.5% 或更高的能效，圖騰柱 PFC 需使用基于“寬禁帶”半導(dǎo)體材料（如碳化硅 (SiC)）的 MOSFET。如今，所有 PFC 級(jí)均采用 SiC MOSFET 作為快速開(kāi)關(guān)橋臂，并使用硅基超級(jí)結(jié) MOSFET 作為相位或慢速橋臂。 與硅 MOSFET 相比，SiC MOSFET 性能更優(yōu)、能效也更高，且穩(wěn)健可靠，在高溫下表現(xiàn)更出色，可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。 與硅基超級(jí)結(jié) MOSFET 相比，SiC MOSFET 在輸出電容中儲(chǔ)存的能量 (EOSS) 較低，而這對(duì)于實(shí)現(xiàn)低負(fù)載目標(biāo)至關(guān)重要，因?yàn)?PFC 級(jí)的開(kāi)關(guān)損耗主要來(lái)源于 EOSS 和柵極電荷相對(duì)較高的器件。較低的 EOSS 可大大減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損失，從而提高圖騰柱 PFC 快速橋臂的能效。此外，由于 SiC 器件具有出色的熱導(dǎo)率，相當(dāng)于硅基器件的三倍，因此與硅基超級(jí)結(jié) MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的正溫度系數(shù) RDS(ON)。 下圖為 650V SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系。（圖 3）（結(jié)溫為 175℃ 時(shí)的導(dǎo)通電阻比室溫時(shí)的導(dǎo)通電阻高 1.5 倍。）
Drain to Source On Resistance (Normalized) 漏源導(dǎo)通電阻（歸一化） TJ, Junction Temperature (°C) TJ，結(jié)溫 (°C) 圖 3：650V SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系 同樣，下圖（圖 4）為 650 V 超級(jí)結(jié) MOSFET 的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系。結(jié)溫為 175℃ 時(shí)的導(dǎo)通電阻比室溫下的導(dǎo)通電阻高 2.5 倍以上。
RDS (ON), Drain-Source On-Resistance (Normalized) RDS(ON)，漏源導(dǎo)通電阻（歸一化） TJ, Junction Temperature (°C) TJ，結(jié)溫 (°C) 圖 4：650 V 硅基超級(jí)結(jié) MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系 比較額定 RDS(ON) 類似的硅基 650 V 超級(jí)結(jié) MOSFET 與 650 V SiC MOSFET，在結(jié)溫 (Tj) 為 175℃ 時(shí)，前者的導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 提高到約 50 mohm，而此時(shí)后者的 RDS(ON) 約為 30 mohm。在高溫運(yùn)行期間，650 V SiC MOSFET 的導(dǎo)通損耗更低。 在圖騰柱 PFC 慢速橋臂功能塊和 LLC 功能塊中，導(dǎo)通損耗占總功率損耗的大部分。SiC MOSFET 在較高結(jié)溫下的 RDS(ON) 較低，有助于提高系統(tǒng)能效。 得益于在高溫下 RDS(ON) 增幅較小且 EOSS 出色，SiC MOSFET 在圖騰柱 PFC 拓?fù)渲斜憩F(xiàn)突出，更有助于提高能效并減少能量損失。 新型 SiC MOSFET 技術(shù)實(shí)現(xiàn)出色的系統(tǒng)能效 安森美 (onsemi) 的 650V M3S EliteSiC MOSFET（包括 NTBL032N065M3S 和 NTBL023N065M3S）提供優(yōu)越的開(kāi)關(guān)性能，并大大提高了 PFC 和 LLC 級(jí)的系統(tǒng)能效。 M3S EliteSiC 技術(shù)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其前代產(chǎn)品，其中柵極電荷降低了 50%，EOSS 降低了 44%，輸出電容 (QOSS) 中存儲(chǔ)的電荷也減少了 44%。用于 PFC 級(jí)的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲袝r(shí)，出色的 EOSS 性能可進(jìn)一步提高輕載下的系統(tǒng)能效。此外，較低的 QOSS 簡(jiǎn)化了 LLC 級(jí)軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞闹C振儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)。 得益于出色的開(kāi)關(guān)性能和能效，M3S EliteSiC MOSFET 散發(fā)的熱量更少。除了有助于減小數(shù)據(jù)中心的散熱要求之外，該器件還能在高工作頻率的 PFC 和 DC-DC 功能塊中（例如電動(dòng)汽車 (EV) 的壁掛式直流充電樁中）以較低溫度運(yùn)行。 此外，在相同電壓等級(jí)下，M3S EliteSiC MOSFET 的柵極電荷 Qg 更加優(yōu)越，并能降低柵極驅(qū)動(dòng)損耗。同時(shí)，出色的 Qgs 和 Qgd 也有助于降低開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。在 LLC 功能塊中，當(dāng) VDS 從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到二極管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)輸出電容進(jìn)行充電。為了快速完成這一過(guò)程，必須使用低瞬態(tài)輸出電容 (COSS(TR))。瞬態(tài) COSS 在這里之所以非常重要，是因?yàn)樗梢宰畲笙薅鹊販p少諧振儲(chǔ)能的循環(huán)損耗，并縮短 LLC 的死區(qū)時(shí)間，從而減少初級(jí)側(cè)的循環(huán)損耗。低導(dǎo)通電阻能夠盡可能地減少導(dǎo)通損耗，而低 EOFF 有助于進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗。總體而言，提升系統(tǒng)能效是一大關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，這使得 SiC MOSFET 成為數(shù)據(jù)中心 PFC 和 LLC 級(jí)的優(yōu)選方案。 新型 EliteSiC MOSFET 也非常適合能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，例如光伏 (PV) 發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)、不間斷電源 (UPS) 和電動(dòng)汽車充電站。設(shè)計(jì)工程師可以使用 M3S EliteSiC MOSFET 來(lái)減小整體系統(tǒng)尺寸，進(jìn)而幫助提高工作頻率。從系統(tǒng)角度來(lái)看，與硅基 650 V 超級(jí)結(jié) MOSFET 相比，M3S EliteSiC MOSFET 可幫助設(shè)計(jì)工程師降低系統(tǒng)成本。 總之，在成本、EMI、高溫運(yùn)行和基于相同 RDS(ON) 的開(kāi)關(guān)性能方面，新型 EliteSiC MOSFET 可以與市場(chǎng)上的超級(jí)結(jié) MOSFET 相媲美。相較于超級(jí)結(jié) MOSFET，采用相同封裝的 650V M3S EliteSiC MOSFET 可實(shí)現(xiàn)更低的 RDS(ON)，有助于提高 LLC 拓?fù)涞南到y(tǒng)能效。與其他硅基替代器件相比，其突出優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)關(guān)損耗顯著降低。
圖 5：650V M3S EliteSiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì) EMPOWER AI 650V M3S EliteSiC MOSFETS Significant Performance Improvement 賦能 AI 650V M3S EliteSiC MOSFET 性能提升顯著 EXCELLENT Eoss TO IMPROVE PFC EFFICIENCY 出色的 Eoss 有助于提高 PFC 能效 MEET OPEN RACK V3 BASE EFFICIENCY 滿足 OPEN RACK V3 基本能效標(biāo)準(zhǔn) EXCELLENT SWITCHING PERFORMANCE 出色的開(kāi)關(guān)性能 INCREASE SYSTEM POWER DENSITY 提高系統(tǒng)功率密度 LESS Qoss FOR EASY INDUCTANCE DESIGN 更低的 Qoss 簡(jiǎn)化電感設(shè)計(jì) 結(jié)論 本文簡(jiǎn)要探討了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的電力需求對(duì)高效電源轉(zhuǎn)換提出的更高標(biāo)準(zhǔn)。人工智能有望引領(lǐng)世界變革，為了讓我們現(xiàn)有的電網(wǎng)能夠滿足 AI 驅(qū)動(dòng)的云計(jì)算迅猛發(fā)展的需求，我們迫切需要提高能效。 采用 SiC MOSFET 可以顯著提高 PFC 和 LLC 級(jí)的能效。安森美的 650 V M3S EliteSiC MOSFET 能夠大幅提升超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的 PFC 和 LLC 級(jí)的能效。650 V M3S EliteSiC MOSFET 具有更低的柵極電荷、EOSS 和 QOSS，可以提高能效并簡(jiǎn)化 PFC 和 LLC 級(jí)中的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，從而有助于減少電力消耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。 |
