超大規模數據中心的功率轉換挑戰

現代數據中心幾乎每天24小時不停運行，耗電量占全球總需求的2%左右。隨著數據量和人工智能訓練需求的增加，電力轉換效率變得尤為關鍵。數據中心需要將交流電轉換為直流電，以滿足高性能處理器的需求，這些處理器雖然電壓低至0.7伏，但電流需求高達數千安培。

過去，數據中心使用鉛酸電池進行雙向轉換，先從交流電轉換到給鉛酸電池用的直流電，然后再從直流電轉換回交流電。而現在，在超大規模的數據中心通過整合UPS系統和備用電池到每個機架，確保了不間斷電源供應，不再需要單獨的電池室。這種整合提高了效率，減少了空間占用，并確保了數據中心的穩定運行。

現代功率轉換涉及三大階段：

? 交直流轉換器（AC/DC）：先通過AC轉DC轉換器將230~277伏的交流電轉換為48伏直流電，接下來，這48伏的直流電會送到機架的背板上，每個主板都由對應的直流電供電。未來，這一交流電壓可能會進一步提升至347伏，優化轉換效率。現階段這一轉化效率已超過97%。

? 中間總線轉換器：這一階段的轉化效率已經達到了98%，其原理是將48伏的直流電進一步降至12伏的中間電壓，預計未來會進一步降至6~8伏，以適應更高效的功率轉換。

? 負載點轉換器（POL）：它一般工作在12伏，以0.7伏的典型輸出電壓直接給處理器供電。這一步的轉化效率通常達到90%左右，就目前看來，這是提升整體效率的關鍵環節。通過降低中間總線電壓，并將負載點轉換器盡量靠近處理器，比如安裝在處理器背面，調整架構設計以實現整體效率的提高。在此之中，也需要權衡配電過程中的損耗，綜合考慮負載實際功率。

其中，備用電池單元也發揮了關鍵作用，它可以在交流電中斷時提供電力，銜接啟動發電機的空擋。

英飛凌的解決方案

當前，數據中心發展的基本趨勢是：大幅提升單機架的功率水平。隨著人工智能的迅猛發展，數據中心的功率需求也在不斷攀升——從過去每機架30千瓦的用電量，躍升到如今的100千瓦甚至更高。面對如此復雜的功率需求，不僅需要更好的半導體器件，還需要創新的拓撲結構和控制算法，以實現在有限的空間內傳輸大量電力，同時在此過程中保持極高的傳輸效率。為此，英飛凌通過以下創新解決方案助力數據中心“減負提效”：

| 寬禁帶半導體

使用碳化硅、氮化鎵和硅相結合的功率器件，是應對交流電轉直流電轉換挑戰的理想選擇。比如在交流轉直流電源中，可以使用圖騰柱拓撲，在快速開關臂中使用碳化硅，而在慢速臂中使用超結硅。在400V到48V的直流轉換器中可以使用氮化鎵，將400V直流轉換為48V直流。而在48V總線上同樣可以使用氮化鎵進行同步整流。

實際上，英飛凌的產品線已經全面覆蓋了交流轉直流電源領域，提供的產品不僅僅局限于碳化硅和氮化鎵器件，還會根據市場需求推薦最合適的產品組合。

|備用電池“削峰填谷”

傳統備用電池通常處于待命狀態，僅在停電時作為應急電源使用，導致其使用率較低。然而，最新的開放計算OCP 3.0規范中允許備用電池不僅待命，還能在負載高峰時，如AI訓練期間GPU功率激增時，輔助交流轉直流電源供應器，實現“削峰填谷”。這顯著提高了電池的使用率。

隨著使用頻率的增加，電池的電源效率變得至關重要。部分功率轉換器提供了一種更高效的解決方案，它直接利用電池電壓，僅需微調即可穩定輸出48伏，大幅減少了處理的電力量，如僅需調節三分之一的電力。這種方法成本效益顯著，因為轉換器尺寸小，其效率非常高，最高峰值效率可達99.5%，整體效率也超過99%。此外，這種緊湊的設計占用空間少于傳統全功率后備電池單元轉換器，優化了整體空間。

| 中間總線電壓優化

當前數據中心普遍采用12伏電壓系統，但面對主板級別的高功率需求，特別是達到4千瓦以上時，48伏生態系統更具優勢。英飛凌的解決方案能將48伏電壓轉換至12伏，以滿足負載點階段的需求。對于高性能處理器，如用于AI訓練的GPU，在幾納秒內就能從待機狀態切換到全功率運行，要求負載點開關具備快速響應和高頻開關能力。為了適應這種高頻開關需求，可選擇降低負載點的輸入電壓。在600到800千赫的頻率下，電壓為12伏；但要達到兆赫茲以上，理想電壓范圍應為6到8伏。因此，48伏至6到8伏的轉換變得尤為重要。在使用開關電容轉換器的情況下，通過特定的拓撲結構可實現這一點，這正是英飛凌目前在推廣并引入市場的一項專有技術。

| 垂直供電解決方案

面對人工智能發展帶來的現代處理器功耗大幅增加的挑戰，目前最先進的方法是采用分立器件解決方案，即在主板上安裝多相降壓轉換器。然而，由于主板空間有限，同時需要集成數字信息傳輸和I/O線路，轉換器被設計在主板頂部，環繞處理器布局。這種布局在負載電流超過一千安培時會達到極限，因為此時主板內的電力損耗會非常高，導致解決方案失效。為了克服這一問題，英飛凌提出了垂直供電解決方案，通過從主板背面直接供電至處理器，大幅減少電力損耗，同時結合集成電感器和先進冷卻設計，提升整體系統緊湊性和效率。

未來展望

基于當前的發展趨勢，隨著功率水平繼續攀升，傳統交流供電方式可能會被直流配電（如400伏或正負400伏直流電） 所取代。這種配電方式將大幅降低損耗，這種更緊湊且高效的解決方案可以直接在主板級別將400伏直流電高效轉換為48伏直流電。

為了驅動這樣的系統，必須能夠隔離單點故障。我們需要一個多級安全系統，用于中斷多個級聯層的電流。主要是在配電層面、機架層面和主板層面實現隔離單點故障。如果這一趨勢成為現實，那么對于寬禁帶功率器件而言將是一個巨大的增長機會，這將推動碳化硅和氮化鎵等寬禁帶器件的應用。

數據中心正邁向更加高效、緊湊、智能的技術時代，而英飛凌始終致力于為這一發展提供可靠的功率轉換解決方案，助力行業實現技術躍升。

歡迎關注大聯大工程師社區——大大通

登錄大大通網站-原廠頻道-Infineon 原廠頻道，提問/評論，獲取技術文檔等更多資訊！