【導讀】隨著(zhù)數據中心耗電量急劇增加，行業(yè)更迫切地需要能夠高效轉換電力的功率半導體。這種需求的增長(cháng)一方面是為了降低運營(yíng)成本，另一方面是為了減少溫室氣體排放，以實(shí)現凈零排放的目標。此外，業(yè)界也在不斷追求成本更低、尺寸更小的電源系統。

如今所有東西都存儲在云端，但云究竟在哪里？

答案是數據中心。我們對圖片、視頻和其他內容的無(wú)盡需求，正推動(dòng)著(zhù)數據中心行業(yè)蓬勃發(fā)展。

國際能源署 (IEA) 指出，¹人工智能 (AI) 行業(yè)的迅猛發(fā)展正導致數據中心電力需求激增。預計在 2022 年到 2025 年的三年間，數據中心的耗電量將翻一番以上。 這不僅增加了運營(yíng)成本，還給早已不堪重負的老舊電力基礎設施帶來(lái)了巨大的壓力，亟需大規模的投資升級。

隨著(zhù)數據中心耗電量急劇增加，行業(yè)更迫切地需要能夠高效轉換電力的功率半導體。這種需求的增長(cháng)一方面是為了降低運營(yíng)成本，另一方面是為了減少溫室氣體排放，以實(shí)現凈零排放的目標。此外，業(yè)界也在不斷追求成本更低、尺寸更小的電源系統。

散熱是數據中心面臨的另一個(gè)重大挑戰。據估計，當今大多數數據中心散熱系統的電力消耗占比超過(guò) 40%。²實(shí)際上，對于電源效率，浪費的能源主要以熱量形式散失，而這些熱能又需要通過(guò)數據中心的空調系統排放出去。因此，電源轉換效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少，相應地，在散熱方面的電費支出也就越低。

數據中心的 AC-DC 轉換要求

讓我們更詳細地了解數據中心電源系統的需求，以及器件供應商應對這些挑戰的做法。數據中心內的功率密度正加速攀升，電源供應器 (PSU) 供應商致力于提高標準 1U 機架的功率能力（圖 1）。大約十年前，每個(gè)機架的平均功率密度約為 4 至 5 kW，但當今的超大規模云計算公司（例如亞馬遜、微軟或 Facebook）通常要求每個(gè)機架的功率密度達到 20 至 30 kW。一些專(zhuān)業(yè)系統的要求甚至更高，要求每個(gè)機架的功率密度達到 100kW 以上。³

圖 1：數據中心的電力輸送 - 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計，并同時(shí)具備高能效特性。

然而，挑戰不僅在于提高整體能效，電源還必須滿(mǎn)足數據中心行業(yè)的特定需求。例如，所有 AI 數據中心 PSU 都應滿(mǎn)足嚴格的 Open Rack V3 (ORV3) 基本規范。

最近，服務(wù)器機架提供商推出了一種新型 AC-DC PSU，其標稱(chēng)輸入范圍為 200 至 277 VAC，輸出為 50 VDC，符合 ORV3 標準。該標準要求在 30% 至 100% 負載條件下峰值效率達到 97.5% 以上，在 10% 至 30% 負載條件下最低效率達到 94%。

服務(wù)器機架電源供應器的拓撲選擇

功率因數校正 (PFC) 級是 PSU 中 AC-DC 轉換的關(guān)鍵組成部分，對于實(shí)現高能效非常重要。PFC 級負責整形輸入電流，以盡可能放大有用功率與總輸入功率之比。為滿(mǎn)足 IEC 61000-3-2 等法規中的電磁兼容性 (EMC) 標準，并確保符合 ENERGY STAR? 等能效規范，PFC 設計也是關(guān)鍵所在。

對于數據中心等許多應用，最好選用“圖騰柱”P(pán)FC 拓撲來(lái)設計 PFC 級。該拓撲通常用于數據中心 3 kW 至 8 kW 系統電源中的 PFC 功能塊（圖 2）。圖騰柱 PFC 級基于 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

然而，為了實(shí)現超大規模數據中心公司要求的 97.5% 或更高的能效，圖騰柱 PFC 需使用基于“寬禁帶”半導體材料（如碳化硅 (SiC)）的 MOSFET。如今，所有 PFC 級均采用 SiC MOSFET 作為快速開(kāi)關(guān)橋臂，并使用硅基超級結 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，且穩健可靠，在高溫下表現更出色，可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運行。

與硅基超級結 MOSFET 相比，SiC MOSFET 在輸出電容中儲存的能量 (EOSS) 較低，而這對于實(shí)現低負載目標至關(guān)重要，因為 PFC 級的開(kāi)關(guān)損耗主要來(lái)源于 EOSS 和柵極電荷相對較高的器件。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率，相當于硅基器件的三倍，因此與硅基超級結 MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的正溫度系數 RDS(ON)。

下圖為 650V SiC MOSFET 導通電阻與結溫的關(guān)系。（圖 3）（結溫為 175℃ 時(shí)的導通電阻比室溫時(shí)的導通電阻高 1.5 倍。）

圖 3：650V SiC MOSFET 導通電阻與結溫的關(guān)系

同樣，下圖（圖 4）為 650 V 超級結 MOSFET 的導通電阻與結溫的關(guān)系。結溫為 175℃ 時(shí)的導通電阻比室溫下的導通電阻高 2.5 倍以上。

圖 4：650 V 硅基超級結 MOSFET 導通電阻與結溫的關(guān)系

比較額定 RDS(ON) 類(lèi)似的硅基 650 V 超級結 MOSFET 與 650 V SiC MOSFET，在結溫 (Tj) 為 175℃ 時(shí)，前者的導通電阻 (RDS(ON)) 提高到約 50 mohm，而此時(shí)后者的 RDS(ON) 約為 30 mohm。在高溫運行期間，650 V SiC MOSFET 的導通損耗更低。

在圖騰柱 PFC 慢速橋臂功能塊和 LLC 功能塊中，導通損耗占總功率損耗的大部分。SiC MOSFET 在較高結溫下的 RDS(ON) 較低，有助于提高系統能效。

得益于在高溫下 RDS(ON) 增幅較小且 EOSS 出色，SiC MOSFET 在圖騰柱 PFC 拓撲中表現突出，更有助于提高能效并減少能量損失。

新型 SiC MOSFET 技術(shù)實(shí)現出色的系統能效

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 級的系統能效。 M3S EliteSiC 技術(shù)性能遠遠超過(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) 中存儲的電荷也減少了 44%。用于 PFC 級的硬開(kāi)關(guān)拓撲中時(shí)，出色的 EOSS 性能可進(jìn)一步提高輕載下的系統能效。此外，較低的 QOSS 簡(jiǎn)化了 LLC 級軟開(kāi)關(guān)拓撲的諧振儲能電感設計。

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。除了有助于減小數據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(chē) (EV) 的壁掛式直流充電樁中）以較低溫度運行。

此外，在相同電壓等級下，M3S EliteSiC MOSFET 的柵極電荷 Qg 更加優(yōu)越，并能降低柵極驅動(dòng)損耗。同時(shí)，出色的 Qgs 和 Qgd 也有助于降低開(kāi)關(guān)導通和關(guān)斷損耗。在 LLC 功能塊中，當 VDS 從關(guān)斷狀態(tài)轉換到二極管導通狀態(tài)時(shí)，需要對輸出電容進(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，是因為它可以最大限度地減少諧振儲能的循環(huán)損耗，并縮短 LLC 的死區時(shí)間，從而減少初級側的循環(huán)損耗。低導通電阻能夠盡可能地減少導通損耗，而低 EOFF 有助于進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗?？傮w而言，提升系統能效是一大關(guān)鍵性能標準，這使得 SiC MOSFET 成為數據中心 PFC 和 LLC 級的優(yōu)選方案。

新型 EliteSiC MOSFET 也非常適合能源基礎設施應用，例如光伏 (PV) 發(fā)電機、儲能系統 (ESS)、不間斷電源 (UPS) 和電動(dòng)汽車(chē)充電站。設計工程師可以使用 M3S EliteSiC MOSFET 來(lái)減小整體系統尺寸，進(jìn)而幫助提高工作頻率。從系統角度來(lái)看，與硅基 650 V 超級結 MOSFET 相比，M3S EliteSiC MOSFET 可幫助設計工程師降低系統成本。

總之，在成本、EMI、高溫運行和基于相同 RDS(ON) 的開(kāi)關(guān)性能方面，新型 EliteSiC MOSFET 可以與市場(chǎng)上的超級結 MOSFET 相媲美。相較于超級結 MOSFET，采用相同封裝的 650V M3S EliteSiC MOSFET 可實(shí)現更低的 RDS(ON)，有助于提高 LLC 拓撲的系統能效。與其他硅基替代器件相比，其突出優(yōu)勢在于開(kāi)關(guān)損耗顯著(zhù)降低。

圖 5：650V M3S EliteSiC MOSFET 的優(yōu)勢

結論

本文簡(jiǎn)要探討了超大規模數據中心日益增長(cháng)的電力需求對高效電源轉換提出的更高標準。人工智能有望引領(lǐng)世界變革，為了讓我們現有的電網(wǎng)能夠滿(mǎn)足 AI 驅動(dòng)的云計算迅猛發(fā)展的需求，我們迫切需要提高能效。

采用 SiC MOSFET 可以顯著(zhù)提高 PFC 和 LLC 級的能效。安森美的 650 V M3S EliteSiC MOSFET 能夠大幅提升超大規模數據中心的 PFC 和 LLC 級的能效。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 級中的硬開(kāi)關(guān)拓撲設計，從而有助于減少電力消耗，降低運營(yíng)成本。

注：

 1.https://datacentremagazine.com/data-centres/ai-boom-will-cause-data-centre-electricity-demand-to-double 

2. https://theodi.org/news-and-events/blog/data-centres-cloud-infrastructures-and-the-tangibility-of-internet-power/ 

3. https://www.sdxcentral.com/articles/analysis/data-center-rack-density-how-high-can-it-go/2023/09/

（來(lái)源：安森美，作者：安森美產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Wonhwa Lee）

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