SiC MOSFET如何提高AI數(shù)據(jù)中心的電源轉(zhuǎn)換能效

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，^[1]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%。^[2]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。^[3]

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) R_DS(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。）

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。

圖4 650V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 R_DS(ON) 類似的硅基 650 V 超級(jí)結(jié) MOSFET 與 650 V SiC MOSFET，在結(jié)溫 (T_J) 為 175℃ 時(shí)，前者的導(dǎo)通電阻 (R_DS(ON)) 提高到約 50 mohm，而此時(shí)后者的 R_DS(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 R_DS(ON) 較低，有助于提高系統(tǒng)能效。

得益于在高溫下 R_DS(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?？傮w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 R_DS(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 R_DS(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)

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。