播客上新 | 人工智慧趨勢下，如何優化電力電子系統的功率轉換效率

來源: 英飛凌官方微信

NEWS 英飛凌播客正式上線！

英飛凌全新打造的播客頻道 “中文版Podcast4Engineers” 正式上線！這是一檔專為工程師打造的聲播節目，在這裡你將聽取英飛凌技術專家對熱門應用的深入解析，共同探討行業面臨的挑戰與機遇。

針對功率電子，我們開設了 We Power AI 專輯，歡迎收聽第一期內容 ——《如何優化電力電子系統的功率轉換效率》

面對當前人工智慧的迅猛發展，我們對高功率的需求也在持續攀升，這對功率轉換的效率提出了更嚴苛的需求。本期節目，我們邀請了英飛凌專家 Gerald Deboy 詳細解析功率轉換的不同階段，剖析矽、碳化矽和氮化鎵在資料中心的理想應用，並分享英飛凌的前沿創新解決方案。

如何優化電力電子系統的功率轉換效率？

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以下是本期播客的文字總結，全文閱讀預估 3 分鐘。

超大規模資料中心的功率轉換挑戰

現代資料中心幾乎每天 24 小時不停運行，耗電量占全球總需求的 2% 左右。隨著資料量和人工智慧訓練需求的增加，電力轉換效率變得尤為關鍵。資料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，資料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，然後再從直流電轉換回交流電。而現在，在超大規模的資料中心通過整合 UPS 系統和備用電池到每個機架，確保了不斷電供應系統供應，不再需要單獨的電池室。這種整合提高了效率，減少了空間佔用，並確保了資料中心的穩定運行。

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，每個主機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%。

• 中間匯流排轉換器：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。通過降低中間匯流排電壓，並將負載點轉換器儘量靠近處理器，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，資料中心發展的基本趨勢是：大幅提升單機架的功率水準。隨著人工智慧的迅猛發展，資料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。面對如此複雜的功率需求，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演算法，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資料中心“減負提效”：

寬禁帶半導體

使用碳化矽、氮化鎵和矽相結合的功率器件，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矽，而在慢速臂中使用超結矽。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 匯流排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於碳化矽和氮化鎵器件，還會根據市場需求推薦最合適的產品組合。

備用電池“削峰填穀”

傳統備用電池通常處於待命狀態，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 規範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“削峰填穀”。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，這種緊湊的設計佔用空間少於傳統全功率後備電池單元轉換器，優化了整體空間。

中間匯流排電壓優化

當前資料中心普遍採用 12 伏電壓系統，但面對主機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。對於高性能處理器，如用於 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回應和高頻開關能力。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，理想電壓範圍應為 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並引入市場的一項專有技術。

垂直供電解決方案

面對人工智慧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採用分立器件解決方案，即在主機板上安裝多相降壓轉換器。然而，由於主機板空間有限，同時需要集成數位資訊傳輸和 I/O 線路，轉換器被設計在主機板頂部，環繞處理器佈局。這種佈局在負載電流超過一千安培時會達到極限，因為此時主機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，通過從主機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

基於當前的發展趨勢，隨著功率水準繼續攀升，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機板級別將 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，用於中斷多個級聯層的電流。主要是在配電層面、機架層面和主機板層面實現隔離單點故障。如果這一趨勢成為現實，那麼對於寬禁帶功率器件而言將是一個巨大的增長機會，這將推動碳化矽和氮化鎵等寬禁帶器件的應用。

資料中心正邁向更加高效、緊湊、智慧的技術時代，而英飛凌始終致力於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。

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