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AI服務器電源的核心挑戰與技術需求

超高功率密度：單機架功率已從傳統服務器的數千瓦提升至數十千瓦（如英偉達DGX-2需10kW，未來GB300芯片預計達1.4kW單芯片功耗），要求電源方案在有限空間內實現高效能量轉換。

高頻化與高效率：單個 GPU 的功耗將呈指數級增長，到 2030 年將達到約 2000 W，而 AI 服務器機架的峰值將達到驚人的 >300 kW。這些要求對數據中心機架的 AC 和 DC 配電系統進行新的架構更改，重點是減少從電網到核心的轉換和配電功率損耗。為降低損耗并適配GPU/TPU的高頻運算，電源轉換頻率逐步提升至MHz級，同時需將轉換效率從傳統的96%提升至98%以上，以減少散熱成本與碳排放。

高壓化與穩定性：輸入電壓向800V DC-HVDC（高壓直流）演進，輸出電壓則需精準降至芯片級所需的0.8V-12V，要求器件具備寬電壓范圍適應性與低噪聲特性。

02

PSU的拓撲圖及演變

圖 2（a）顯示了開放計算項目 (OCP) 機架電源架構的示例圖。每個電源架由三相輸入供電并容納多個 PSU；每個 PSU 由單相輸入供電。機架向母線輸出直流電壓（例如 50 V），母線還連接到 IT 和電池架。

AI 趨勢要求 PSU 進行功率演進，如圖 2（b）所示。讓我們通過實施拓撲和設備技術建議的示例來介紹這些 PSU 的每一個代。

AI 服務器機架 PSU 的趨勢和功率演進

第一代 AI PSU高效電能轉換基石

在第一代 AI PSU（2010-2018 年）的硅基架構框架下，實現5.5-8kW 功率、50V 輸出、277V 單相輸入

當前的AI服務器PSU大多遵循ORv3-HPR標準[9]。相較于先前的ORv3 3 kW標準[9]，該標準的大部分要求（包括輸入和輸出電壓以及效率）保持不變，但增加了與AI服務器需求相關的更新，例如，更高的功率和峰值功率要求（稍后詳述）。此外，由于與BBU架的通信方式有所調整，輸出電壓的調節范圍變得更窄。

盡管每個電源架都通過三相輸入（400-480 Vac L-L）供電（見圖2），但每臺PSU的輸入仍為單相（230-277 Vac）。圖3展示了符合ORv3-HPR標準的第一代PSU的部署示例：PFC級可以采用兩個交錯的圖騰柱拓撲結構，其中，650V CoolSiC MOSFET用于快臂開關，600V CoolMOS SJ MOSFET用于慢臂開關。DC-DC級可以選用650V CoolGaN晶體管的全橋LLC，次級全橋整流器和ORing則使用80V OptiMOS Power MOSFET。

推薦使用薩瑞微電子800V-1000V整流橋

第二代AI PSU：增加線路電壓

如上所述，隨著機架功率增加到300kW以上，電源架的功率密度變得至關重要。因此，下一代PSU的設計方向是，在單相架構中實現8kW至12kW的輸出功率。隨著每個機架的功率增加，數據中心中的機架數量在某些情況下，可能會受配電電流額定值和損耗的約束。因此，為了降低交流配電的電流和損耗，部分數據中心可能會將機架的交流配電電壓從400/480V提高到600Vac L–L（三相），同時將PSU的輸入電壓從230/277Vac 提高到347Vac（單相）。

對于DC-DC級來說，三相LLC拓撲結構是一種理想選擇，其中，750V CoolSiC MOSFET用于初級側開關，80V OptiMOS 5 Power MOSFET用于次級全橋整流器和ORing。由于增加了第三個半橋開關臂，該解決方案能夠提供更高的功率，有效降低輸出電流的紋波，并通過三個開關半橋之間的固有耦合實現自動電流分配。

推薦使用薩瑞微高頻開關

高頻開關（500V硅基MOS推薦）

高頻開關（650V硅基MOS推薦）

硅基MOSFET： 500V/650V硅基MOS：采用溝槽式結構，適用于中低頻（<500kHz）、中等功率場景，如輔助電源或低壓側開關，導通電阻低至30mΩ以下，支持快速開關響應。

高頻開關（600V超結MOS推薦）

高頻開關（650V超結MOS推薦）

超結MOSFET（600V/650V/800V）：通過電荷平衡技術突破硅基材料限制，實現高耐壓與低導通電阻的平衡（如650V型號Rds(on)≤15mΩ），適用于1MHz以上高頻場合，可顯著減小磁性元件體積，提升功率密度。

高頻開關（800V超結MOS推薦）

高頻開關（650V碳化硅MOS推薦）

高頻開關（1200V碳化硅MOS推薦）

高頻開關（1700V碳化硅MOS推薦）

碳化硅MOSFET（650V/1200V/1700V）： 針對800V高壓輸入與超高頻率（>2MHz）場景，碳化硅器件展現出無可替代的優勢：

材料特性：禁帶寬度是硅的3倍，支持更高結溫（175℃）與耐壓，開關損耗降低70%以上，適用于全碳化硅LLC拓撲，轉換效率可達98.5%。

第三代AI PSU：三相架構與400V配電

為了進一步提高機架功率，第三代 AI PSU 將采用更具顛覆性的機架架構，如下所示：

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PSU輸入：從單相轉為三相，以提高功率密度，并降低成本

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電源架PSU輸出電壓：從50V提升到400V，以降低母線電流、損耗和成本

三相輸入和 400 V 輸出 PSU 的示例實現，其中包含推薦的設備和技術。PFC 級是 Vienna 轉換器，這是三相 PFC 應用的流行拓撲。它的主要優勢在于，由于其分離總線電壓，它允許使用 650 V 設備，使用兩倍數量的背對背 CoolSiC MOSFET 650 V 和 CoolSiC 1200 V 二極管。由于 PFC 輸出是分離電容器，因此每個電容器電壓為 430 V，并向全橋 LLC 轉換器供電，初級和次級側均配備 CoolGaN 晶體管 650 V。兩個 LLC 級在初級側串聯，在次級側并聯，以向 400 V 母線供電。

或者，兩個背靠背的 CoolSiC MOSFET 650 V 可以用 CoolGaN 雙向開關 (BDS) 650 V 代替，后者是真正的常閉單片雙向開關。這意味著單個 CoolGaN BDS 可以取代四個分立電源開關，以獲得相同的 RDS(on)，因為它在 RDS(on)/mm2 方面具有高效的芯片尺寸利用率。

推薦使用薩瑞微碳化硅二極管MOS系列

SIC SBD推薦

同步整流MOS管推薦

在DC-DC變換器的次級整流中，同步整流MOS管替代傳統二極管，消除肖特基勢壘電壓，大幅降低導通損耗：

產品特性：低柵極電荷（Qg<10nC）與極低導通電阻（如40V耐壓型號Rds(on)≤5mΩ），支持全負載范圍高效運行。內置體二極管反向恢復電荷（Qrr）極低，減少振蕩與EMI干擾，適配高頻同步整流控制方案。

技術優勢：配合驅動電路實現ZVS（零電壓開關）或ZCS（零電流開關），在10kW以上功率模塊中，可將整流效率從95%提升至99%以上。

WBG 對 AI PSU 的好處

寬帶隙 (WBG) 半導體（例如 CoolGaN）成為 AI PSU 的最佳選擇，因為它們在更高的開關頻率下提供最佳效率，從而實現更高功率密度的轉換器，而不會影響轉換效率。

除了 AI PSU 的標稱功率顯著上升外，GPU 還會吸收更高的峰值功率并產生高負載瞬變，如圖 7 所示。因此，DC-DC 級輸出必須足夠動態，而電壓過沖和下沖必須保持在規定的限值內。可以通過提高開關頻率來增加 DC-DC 級輸出動態，從而增加控制環路帶寬。

CoolGaN 器件因其卓越的 FoM 和 Si、SiC 和 GaN 器件中最低的開關損耗而輕松滿足了更高開關頻率的要求。尤其是在軟開關 LLC 轉換器中，CoolGaN 具有最低的輸出電容電荷 (Qoss)，這對于更輕松地實現 ZVS（零電壓開關）起著至關重要的作用。隨后，這有助于更精確地設置死區時間，從而消除不必要的死區時間傳導損耗。

推薦使用薩瑞微LDO、MOSFET系列

輔助電源LDO推薦

輔助電源LDO：為服務器監控芯片、傳感器等提供穩定低壓供電（如3.3V/5V），薩瑞微電子的LDO系列具備低靜態電流（<1μA）、高PSRR（電源抑制比）與快速瞬態響應，確保核心器件在復雜電源環境下穩定運行。

負載開關MOS管推薦

負載開關MOS管：用于電源系統的通斷控制與負載隔離，支持大電流（10A-50A）快速切換，內置過流/過熱保護，避免浪涌電流對后級電路的沖擊，提升系統安全性。

結論

與AI算力共成長，定義電源新高度 在AI服務器向更高功率、更高效率演進的征程中，電源系統的每一次優化都依賴于器件級的技術突破。薩瑞微電子以“全電壓覆蓋、全技術兼容、全流程可控”的產品矩陣，為AI服務器電源提供了從輸入整流到精準供電的完整解決方案，助力客戶在算力競賽中搶占先機。