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AOS AI服務(wù)器電源HVDC IBC SiC/Si解決方案 |
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AI的迅猛發(fā)展對算力提出了極致的需求，同時驅(qū)動服務(wù)器電源向高壓化及高功率密度方向全面變革。AOS在 AI 電源整個電源轉(zhuǎn)換鏈，包括熱插拔、HVDC、 HV PDU、 BBU以及SST 電源模塊都布局了傳統(tǒng)Si基和第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品，為未來超大數(shù)據(jù)中心提供可持續(xù), 高效和經(jīng)濟可行的方案。
關(guān)鍵字： AI, Server, HVDC, 800 V，IBC, SiC, Stacked Die
*本篇"AOS AI服務(wù)器電源HVDC IBC SiC/Si解決方案"的作者為AOS應(yīng)用工程經(jīng)理朱禮斯先生，發(fā)布于2026年9月14日，以下是文章全部內(nèi)容。
不斷增長的AI算力密度正在重新定義中間母線變換器（IBC）：下一代中間母線變換器（IBC）正在從傳統(tǒng)48V架構(gòu)過渡到800V架構(gòu)，800V高壓架構(gòu)是一套為解決AI算力供電瓶頸而生的“高能效、高密度”方案，以減少配電損耗并提升超高機柜功率水平下的電力傳輸能力。
傳統(tǒng)Si器件和第三代半導(dǎo)體SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）器件為800V HVDC 架構(gòu)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。Si，SiC和GaN都有其獨特的優(yōu)勢，在電源設(shè)計中的定位如下：
SiC（碳化硅）器件：用于前端AC/DC及高壓轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，耐壓高、導(dǎo)通電阻僅為硅基的1/10，開關(guān)損耗降低70%以上，最高工作結(jié)溫200℃，是800V高壓轉(zhuǎn)換PSU的核心器件。
GaN（氮化鎵）器件：用于后級800V轉(zhuǎn)50V/12V的高頻DC-DC轉(zhuǎn)換，支持1MHz開關(guān)頻率，實現(xiàn)高功率密度小型化設(shè)計。
Si（硅）器件：用于中低壓側(cè)，成本/性能最優(yōu)化，也是目前最成熟的解決方案。
目前GaN（氮化鎵）非常適合LLC等軟開關(guān)拓撲，用于超高頻（≥500 kHz）工作，在效率×功率密度的優(yōu)值指標(biāo)（FOM）上表現(xiàn)最佳，是 HV IBC的主流方案。AI HVDC核心供電設(shè)備對可靠性和壽命要求極高（設(shè)計壽命10年以上），對可靠性的要求比汽車更高（生命周期內(nèi)不間斷運行）。器件需通過遠超車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)苛測試，認證周期長達 2-3 年。所以器件本身面臨的核心挑戰(zhàn)已從“能不能做出來”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭绾卧诳量虠l件下長期、穩(wěn)定、可靠地工作”。
GaN 的高頻優(yōu)勢在 HVDC的緊湊空間內(nèi)極具吸引力，但其特有的“動態(tài)”問題尚未完全解決，其動態(tài)導(dǎo)通電阻退化與電壓、溫度、開關(guān)頻率強相關(guān)。Si和SiC器件相對于GaN擁有穩(wěn)健的雪崩和短路承受能力，長時間運行的可靠性已經(jīng)得到充分的驗證。所以AOS 在設(shè)計開發(fā)了GaN方案HV IBC的同時，也設(shè)計了基于SiC和Si的HV IBC的混合方案。
系統(tǒng)需要能夠以受控的方式對板卡800V供電電壓進行通斷控制，在機架繼續(xù)運行的同時更換服務(wù)器板，可以避免為了維護而關(guān)閉整個系統(tǒng)，并減少運營中斷。熱插拔還需要具備電子熔斷器（eFuse）功能，同時對服務(wù)器板與 HVDC 母線之間接口的電流和電壓進行監(jiān)測，以便在發(fā)生故障時切斷供電電壓，所以熱插拔(Hot-swap)功能對于加速計算平臺的安全可靠運行越來越重要。目前800V熱插拔需要與HV IBC集成在同一片PCB板上，功能有兩種實現(xiàn)方案：第一種是采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)的SiC-JFET，另一種是使用SiC-MOSFET。
熱插拔的核心過程是：在模塊插入帶電母線的瞬間，通路器件必須工作在線性區(qū)，以限制浪涌電流、逐步為下游電容充電。此時器件同時承受高電壓和大電流，功率損耗非常大。所以關(guān)于熱插拔功率器件的選擇，需要考慮兩個主要參數(shù)，一個是安全工作區(qū)（SOA）的能力，另一個是穩(wěn)態(tài)工作時的導(dǎo)通電阻（Rdson）。SiC JFET相比 SiC MOSFET閾值電壓的溫度系數(shù)極小，且擁有極寬的安全工作區(qū)域（SOA），同時沒有氧化層可靠性問題。SiC JFET 沒有 MOSFET 固有的表面反型層溝道電阻，導(dǎo)電通道更寬、載流子遷移率更高，在相同芯片面積下可實現(xiàn)更低的 RDS(ON)，顯著降低長期運行的導(dǎo)通損耗。同時HVDC 系統(tǒng)中故障電流上升極快，器件必須具備極強的瞬時過流承受能力。SiC JFET 的雪崩能量吸收能力和浪涌耐受能力顯著優(yōu)于 SiC MOSFET，在短路和過流工況下不易損壞。所以高壓熱插拔(HV Hot-swap)普遍使用SiC JFET方案。
將高壓 SiC JFET 與低壓 Si MOSFET進行 Cascode（級聯(lián)），即可實現(xiàn)常關(guān)特性，同時保留 JFET 核心的所有優(yōu)勢。AOS針對AI電源市場800V輸入的趨勢即將推出1200V/4mΩ的SiC-JFET產(chǎn)品，將導(dǎo)通損耗進一步降低至1.3W。對于輸入電容較大（150 µF）的服務(wù)器板卡，預(yù)充電流0.5A，從0 V預(yù)充電至800 V的過程已通過實驗驗證。SOA能力完全可以滿足應(yīng)用要求。
圖｜輸入電容為150 µF，電流為0.5A的預(yù)充波形
該方案使用三相全橋LLC變換器拓撲，將800V輸入轉(zhuǎn)換為50V輸出，總輸出功率為12kW，共兩路輸出，每路輸出6kW，系統(tǒng)框圖如上圖所示。PCB板尺寸為124mm×146mm×11mm，板上集成了熱插拔器件、輔助電源、連接器、輸入大容量電容和輸出MLCC電容。功率密度達到2400mm²/kW。三相拓撲采用交錯控制來降低輸入端和輸出端的電流和電壓紋波，可以大幅降低輸入和輸出電容值，同時可以將磁芯損耗和PCB繞組的交流損耗降至最低。變壓器采用適用于高頻高功率密度應(yīng)用場合的平面變壓器。
三相LLC諧振變換器通過將功率均勻分配至三個諧振腔，實現(xiàn)了更高額定功率。由于三個同步整流器輸出之間存在120°的相位差，輸出紋波頻率為開關(guān)頻率的六倍。較低的紋波電流使得輸出側(cè)濾波電容的體積得以減小，系統(tǒng)功率密度也相應(yīng)提高。下圖展示了三相LLC諧振變換器的穩(wěn)態(tài)主要波形。這些波形基于以下條件：
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脈沖寬度為0.5，死區(qū)時間被忽略
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轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下（fs = fr）
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假設(shè)各相的諧振電容器、諧振電感以及勵磁電感均相同
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橋臂之間的相位差為120°
圖｜一個開關(guān)周期內(nèi)變換器的工作模式
VGS 是功率開關(guān)的柵極驅(qū)動信號。ILr1、ILr2 和 ILr3 為諧振電流。UUN、UVN 和 UWN 分別為橋臂中點與變壓器中點 N 之間的電壓。IA、IB 和 IC 為二次側(cè)各相電流。IOUT 為變換器的輸出電流紋波。
LLC分為感性工作區(qū)和容性工作區(qū)，只有工作在感性區(qū)域才能實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）。所以在整個輸入電壓和負載電流范圍內(nèi)，LLC需要始終維持感性工作狀態(tài)。
輸入阻抗角為0時，頻率為ωο，輸入阻抗為感性負載時，即阻抗角大于0，工作頻率 ω > ωο。諧振頻率為ωr。諧振參數(shù)為：
由于使用較大的勵磁電感和諧振電感比值，負載變化對增益曲線的影響非常小，在工作頻率650kHz下，全載范圍都能保持接近1 的等效增益。不同負載情況下，輸入阻抗角0時，ωo都接近642kHz，工作頻率650kHz能確保LLC工作在感性區(qū)，原邊開關(guān)管都能進行零電壓開關(guān)（ZVS）。工作頻率接近諧振頻率649.7kHz，確保LLC工作效率最大化，同時副邊能保證零電流開關(guān)（ZCS）。
初級側(cè)MOSFET的電壓應(yīng)力等于輸入電壓Vin，典型值為800V。1200V SiC MOSFET在高壓下開關(guān)損耗低，適合對功率密度要求高的高頻應(yīng)用。因此，1200V SiC MOSFET是全橋LLC應(yīng)用中初級側(cè)MOSFET的最佳選擇。本方案初級側(cè)采用6顆DFN8×8封裝的1200V/40mΩ SiC MOSFET。
在全橋同步整流拓撲中，由于輸出功率大，MOSFET需要承載較大的電流。為實現(xiàn)最佳的效率和熱性能，AOS為同步整流級提供了靈活可靠的方案。本方案次級側(cè)全橋整流器采用80V/1.6mΩ的硅MOSFET，以半橋雙芯片堆疊（Stacked Die）封裝于DFN6×5中。使用1顆AOPL66801替代2顆DFN5×6分立器件，可節(jié)省50%的PCB面積，同時消除了器件級聯(lián)成半橋時的走線和阻抗，進一步減少了走線的損耗。驅(qū)動AOPL66801的半橋驅(qū)動為AOS的AOZ32101ADV.
磁設(shè)計是系統(tǒng)的關(guān)鍵方面，因為繞組和磁芯的組合損耗代表主要損耗貢獻，且變壓器體積強烈影響功率密度。選擇 PCB 平面矩陣變壓器是因為其低剖面、可重復(fù)性以及在 LLC 變換器中利用漏感作為諧振電感（Lr）。變壓器繞組層疊結(jié)構(gòu)如下圖所示。為了減少繞組趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，最小化交流損耗。每個單匝副邊繞組由兩層并聯(lián)的 3 oz 銅箔組成，而原邊繞組使用四層串聯(lián)，每層使用四匝 3 oz 銅箔。繞組設(shè)計必須確保原邊和副邊繞組之間的加強隔離和屏蔽，同時控制漏感作為諧振電感Lr。通常采用夾層結(jié)構(gòu)，原邊繞組位于副邊繞組之間[1]。
磁芯設(shè)計，包括氣隙和磁柱直徑，針對開關(guān)頻率進行了優(yōu)化，并在原邊和副邊等效輸出電容給定的情況下提供足夠的勵磁電流以實現(xiàn)軟開關(guān)。磁芯由DMR53材料制成，細長磁柱的設(shè)計可以最小化磁芯中的渦流損耗。
根據(jù)仿真結(jié)果，12kW總功率下初級側(cè)和次級側(cè)功率器件的總損耗分別為18.96W和64.56W。由于初級側(cè)RMS電流較小（4.4A），單顆40mΩ MOSFET的導(dǎo)通損耗僅為0.77W。雖然1200V SiC FET因15V柵極電壓導(dǎo)致驅(qū)動損耗較高（0.81W），但DFN8×8封裝的總功耗僅為1.58W，在液冷設(shè)計中不會構(gòu)成明顯的散熱問題。變壓器損耗在12kW系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，我們的目標(biāo)是將變壓器總損耗控制在140W以內(nèi)，即每路6kW變壓器的損耗低于70W。整套方案在極小的PCB面積上實現(xiàn)了12kW的功率輸出和全功率段軟開關(guān)。 |
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