當(dāng)前，多個關(guān)鍵趨勢正在重塑電源與能源市場。首先是銅價的上漲，以及由人工智能數(shù)據(jù)中心的等各類應(yīng)用的蓬勃發(fā)展所帶來的電力需求激增。為應(yīng)對這些問題，意法半導(dǎo)體工業(yè)電源與能源技術(shù)創(chuàng)新中心正聚焦于三大應(yīng)用領(lǐng)域——電動汽車充電站、可再生能源，以及電源解決方案(重點是面向人工智能服務(wù)器的電源及備用電池單元(BBU))。

意法半導(dǎo)體為幫助客戶攻克這些挑戰(zhàn)，提供了兩大核心技術(shù)方案：一是寬帶隙功率器件，二是基于人工智能的數(shù)字控制器。這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率、更低系統(tǒng)成本、更強系統(tǒng)性能與可靠性。此外，這場變革的核心是固態(tài)變壓器。

隨著人工智能(AI)技術(shù)的快速發(fā)展，AI服務(wù)器已成為支持高性能計算任務(wù)的核心基礎(chǔ)設(shè)施。這些服務(wù)器需要為高功率GPU供電，因此與傳統(tǒng)服務(wù)器相比，其供電單元(PSU)必須具備更高的效率、更高的功率密度和更強的可靠性。本文聚焦于意法半導(dǎo)體工業(yè)電源與能源技術(shù)創(chuàng)新中心開發(fā)的、采用寬帶隙(WBG)技術(shù)的5.5kW ORv3 PSU，并探討其技術(shù)特性、性能優(yōu)勢及在AI時代的應(yīng)用價值。

1背景：AI服務(wù)器日益增長的功率需求

英偉達于2025年發(fā)布了Blackwell Ultra GPU。該系統(tǒng)需要配備5.5kW的單相A/C PSU。英偉達的Rubin GPU將于2026年面市，這款新GPU將消耗更多電力。此外，每個機架的GPU數(shù)量將從72塊進一步增加到144塊。這意味著電力與能源的需求大幅增加。2027年之后，英偉達將推出更先進的技術(shù)Rubin Ultra，該旗艦產(chǎn)品的功耗將再創(chuàng)新高，并且單個機架的GPU數(shù)量將進一步增加到576塊。諸如5.5kW或12kW的單相A/C PSU已不足以滿足該系統(tǒng)的需求。因此，高壓直流供電系統(tǒng)已完成方案定義和產(chǎn)品開發(fā)，以支持其未來的AI服務(wù)器架構(gòu)。

簡而言之，英偉達的路線圖告訴我們，要構(gòu)建AI基礎(chǔ)設(shè)施需要先進的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)來保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

下圖展示了新架構(gòu)下的典型服務(wù)器機架，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、供電單元和計算服務(wù)器。與傳統(tǒng)機架相比，有三個關(guān)鍵變化值得關(guān)注。

首先是輸出電壓：輸出電壓已從12V升級至48V或54V。隨著兼容48V的GPU得到廣泛應(yīng)用，行業(yè)已逐步從傳統(tǒng)的12V輸出架構(gòu)轉(zhuǎn)向48V/54V，這已成為當(dāng)前的主流規(guī)格。根據(jù)光寶科技發(fā)布的行業(yè)預(yù)測，在AI服務(wù)器應(yīng)用持續(xù)擴張的驅(qū)動下，單個供電單元(PSU)的額定功率預(yù)計到2025年將增至5.5-8kW。

其次是額定功率：為了支持多塊高功率GPU(例如，8塊英偉達HGX H100，每塊700W)，AI服務(wù)器需要的功率是傳統(tǒng)服務(wù)器的3至10倍。例如，華碩的ESC-N8-E11 AI服務(wù)器采用6個3000W的供電單元(4+2冗余配置)來滿足超過20KW的功率需求，而諸如華碩RS700-E11-RS12U的傳統(tǒng)計算服務(wù)器只需要2個1600W的供電單元(1+1冗余配置)。

第三是效率和功率密度：實現(xiàn)更高的效率和功率密度仍然是一個挑戰(zhàn)。

這些新興趨勢凸顯了WBG半導(dǎo)體和磁集成技術(shù)在滿足未來效率和功率密度需求方面的關(guān)鍵作用。WBG材料(GaN和SiC)是實現(xiàn)此類性能飛躍的最佳解決方案，因為它們在轉(zhuǎn)換效率和功率密度方面優(yōu)于傳統(tǒng)的硅器件。

2WBG技術(shù)：PSU創(chuàng)新的核心驅(qū)動力

寬帶隙(WBG)技術(shù)(包括氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC))正在革新電力電子行業(yè)。OMDIA 2024年發(fā)布的報告顯示，從2023年到2027年，AI服務(wù)器PSU對WBG器件的需求將以18%的年復(fù)合增長率(CAGR)增長。具體而言，SiC MOSFET和GaN晶體管正呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，其中GaN的年復(fù)合增長率高達44%——這清晰地表明WBG器件在AI電源市場中日益占據(jù)主導(dǎo)地位。

與傳統(tǒng)的硅器件相比，WBG器件提供了顯著優(yōu)勢：更高的效率、更高的功率密度、更低的損耗以及更優(yōu)的熱管理。這些特性對于AI服務(wù)器至關(guān)重要，因為AI服務(wù)器不僅要求PSU在可變負(fù)載下高效運行，還需實現(xiàn)更小的體積和更低的功耗。

意法半導(dǎo)體(ST)提供全面的產(chǎn)品組合以支持PSU開發(fā)，包括硅和SiC MOSFET及二極管、GaN晶體管、IGBT、功率模塊(例如ACEPACK、SLLIMM)、兼容SiC/GaN的隔離式柵極驅(qū)動器，以及各類控制器和傳感器。這種全棧式解決方案可賦能專為AI應(yīng)用設(shè)計的高性能PSU。

3 5.5kW ORv3 AI服務(wù)器PSU的技術(shù)細(xì)節(jié)

3.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該5.5kW ORv3 PSU采用了先進的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：交錯圖騰柱(TTP)PFC(功率因數(shù)校正)結(jié)合三相交錯半橋(HB)LLC。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)專為滿足AI服務(wù)器的高功率、高效率需求而設(shè)計。

交錯TTP PFC可以輕松擴展至3路，以應(yīng)對更高功率的應(yīng)用，而磁集成技術(shù)則縮減了PSU的尺寸并降低了功率損耗，從而提高了功率密度和效率。三相交錯LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯著降低了電流紋波，有助于電流平衡，并通過專門的磁性元件設(shè)計盡可能縮減了電感器和變壓器的尺寸。

3.2關(guān)鍵規(guī)格

該5.5kW ORv3 PSU是一款全數(shù)字AC-DC電源，具備以下關(guān)鍵特性：

輸入AC電壓：180-305VAC

輸入AC頻率：47-63Hz

DC輸出電壓：48-50Vdc

峰值效率：97.5%@230，240，277Vac(30-100%負(fù)載);96.5%@208Vac(30-100%負(fù)載)

最高效率：96.5%@230，240，277Vac(30-100%負(fù)載);95.5%@208Vac(30-100%負(fù)載);94%@208V~277V(10-30%負(fù)載)

功率因數(shù)：>0.98@100%負(fù)載

iTHD：<5%@100%負(fù)載

外形尺寸：73.5x640x40mm

功率密度：高達50W/inch3

峰值浪涌電流：<30A

3.3核心組件

該PSU利用意法半導(dǎo)體的高性能組件實現(xiàn)其卓越性能，包括：

4性能測試結(jié)果

4.1PFC性能

下圖是再230Vac和60Hz條件下的測試結(jié)果，該測試結(jié)果表明，該PSU在整個負(fù)載范圍內(nèi)都能保持高功率因數(shù)(PF)，滿載時PF值接近0.999。通過一種新穎的諧波注入控制策略，其iTHD性能得到增強，滿足ORv3規(guī)范，并有效降低諧波失真。

4.2LLC效率

下圖給出了三相LLC變換器在不同負(fù)載條件下的效率曲線。變換器在40%～50%負(fù)載附近效率達到峰值，為98.68%;滿載時效率仍保持在98%左右。

4.3整體解決方案效率

在230Vac電壓下，該5.5kW ORv3 PSU在所有負(fù)載范圍(10%至100%)內(nèi)的效率均超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其在滿載時97.5%的峰值效率，以及即使在輕載(10-30%)下仍高于94%的穩(wěn)定效率，證明了其相較于市場標(biāo)準(zhǔn)PSU的卓越性能。尤其值得一提的是，5%負(fù)載時的效率高達91%，能夠滿足Ruby的規(guī)格要求。

4.4GaN與SiC性能對比

下圖是意法半導(dǎo)體GaN與SiC MOSFET的對比結(jié)果，GaN在整個負(fù)載范圍內(nèi)都能實現(xiàn)更高的效率，峰值效率達到99.05%。此外，基于GaN的PSU依舊保持了較高PF(高達0.998)和低iTHD(3.1%至4.1%)性能，證實了WBG技術(shù)在改善電能質(zhì)量和效率方面的優(yōu)勢。

5關(guān)鍵優(yōu)勢與系統(tǒng)級優(yōu)點

該5.5kW ORv3 PSU憑借其先進的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和WBG技術(shù)，提供了多項關(guān)鍵優(yōu)勢：

適應(yīng)性效率：混合模式控制可以提高輕載和重載條件下的效率。通過采用滯后電流控制，可以在同一硬件平臺上通過微小的軟件修改實現(xiàn)TCM或CCM運行。

擴展性：雙通道交錯TTP PFC可以輕松擴展至三通道，以應(yīng)對更高功率的應(yīng)用需求。

節(jié)省空間與成本：磁集成技術(shù)縮減了PSU的尺寸和功率損耗，提高了功率密度(高達50W/inch3)，并降低了整體系統(tǒng)成本。

符合ORv3規(guī)范：通過新穎的諧波注入控制策略，增強了iTHD性能，并滿足ORv3規(guī)范要求。

可靠性：三相交錯LLC可以顯著降低電流紋波并有助于電流平衡。結(jié)合專門的磁性元件設(shè)計，它還能縮減電感器和變壓器的尺寸。

6結(jié)論與未來展望

采用WBG技術(shù)的5.5kW ORv3 PSU是AI服務(wù)器電源領(lǐng)域的一項關(guān)鍵創(chuàng)新，滿足了行業(yè)對高效率、高功率密度和可靠性的日益增長的需求。通過利用意法半導(dǎo)體全面的WBG產(chǎn)品組合和先進的電路拓?fù)洌揚SU提供了卓越的性能，滿足了現(xiàn)代AI服務(wù)器的嚴(yán)苛要求。

隨著AI的持續(xù)擴展，以及英偉達路線圖中提出的到2027年建成吉瓦級AI工廠的目標(biāo)，對高功率、高效率PSU的需求只會加劇。WBG技術(shù)將繼續(xù)作為PSU創(chuàng)新的核心驅(qū)動力，而意法半導(dǎo)體的5.5kW ORv3 PSU則為未來AI電源解決方案樹立了標(biāo)桿。展望未來，在元件集成、數(shù)字控制和熱管理方面的進一步優(yōu)化將繼續(xù)推動PSU性能的突破，賦能下一代AI計算。