隨著人工智慧(AI)的快速發展，資料中心的電力需求大幅增加，預計2022~2025年間將成長超過一倍，對老舊電力基礎設施造成壓力，需進行升級。為降低營運成本和減少溫室氣體排放，業界對高效功率半導體的需求激增，並持續尋求更低成本、更小尺寸的電源系統。
如今所有東西都儲存在雲端，但雲端究竟在哪裡呢？
答案是資料中心。人們對圖片、影片和其他內容的無止盡需求，正推動著資料中心相關產業蓬勃發展。
國際能源署(International Energy Agency, IEA)指出，人工智慧(AI)產業的急劇發展正導致資料中心電力需求大幅增加(圖1)。預計在2022~2025年間，資料中心的用電量將成長超過一倍。這不僅增加了營運成本，還對早已負荷過重的老舊電力基礎設施造成巨大的壓力，亟需進行大規模的投資與升級。
圖1 隨著AI產業發展，資料中心的電力需求增加
隨著資料中心用電量的急速增加，整個產業對高效轉換電力的功率半導體需求愈發迫切。此需求的增加一方面是為了降低營運成本，另一方面則是為了減少溫室氣體排放，以實現凈零排放的目標。此外，業界也持續追求成本更低、尺寸更小的電源系統。
散熱是資料中心面臨的另一項重大挑戰。據估計，現今多數資料中心散熱系統的電力消耗占比超過40%。實際上，對於電源效率，浪費的能源主要以熱量形式散失，而這些熱能又需要透過資料中心的空調系統排出。因此，電源轉換效率越高，產生的熱量越少，相對地，散熱相關的電費支出也會隨之降低。
資料中心的AC-DC轉換要求
接下來更深入地探討資料中心電源系統的需求，以及零組件供應商如何應對上述挑戰。資料中心內的功率密度正在快速提升，電源供應器(Power Supply Unit, PSU)供應商致力於提高標準1U機架的功率能力(圖2)。大約十年前，每個機架的平均功率密度約為4~5kW，但現今的超大規模雲端運算公司(例如亞馬遜、微軟或Facebook)通常要求每個機架的功率密度達到20~30kW。有些專業系統的需求甚至更高，要求每個機架的功率密度超過100kW。
圖2 從電網到GPU的資料中心電力輸送
由於電源存放空間以及用於散熱和管理電源轉換熱損耗的空間有限，高功率密度要求電源採用緊湊的小尺寸設計，並同時具備高效能特性。
然而，挑戰不僅在於提升整體效能，電源還必須滿足資料中心產業的特定需求。例如，所有AI資料中心的PSU都應符合嚴格的Open Rack V3(ORV3)基本規範。
近期，伺服器機架供應商推出了一款新型AC-DC PSU，其額定輸入範圍為200~277VAC，輸出為50VDC，符合ORV3標準。該標準要求在30~100%負載條件下峰值效率達到97.5%以上，在10~30%負載條件下最低效率達到94%。
伺服器機架電源供應器的拓撲選擇
功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)級是PSU中AC-DC轉換的關鍵組成部分，對於達成高效能非常重要。PFC級負責整形輸入電流，盡可能放大有用功率與總輸入功率之比。為滿足IEC 61000-3-2等法規中的電磁相容性(EMC)標準，並確保符合ENERGY STAR等效能規範，PFC設計也是關鍵所在。
對於資料中心等許多應用，最佳選擇是使用「圖騰柱」PFC拓撲來設計PFC級。該拓撲通常應用於資料中心3~8kW系統電源中的PFC功能塊(圖3)。圖騰柱PFC級基於MOSFET，透過移除體積大且損耗高的橋式整流器，提高了交流電源的效能和功率密度。
圖3 圖騰柱PFC級
然而，為了實現超大規模資料中心公司要求的97.5%或更高的效能，圖騰柱PFC需使用基於寬能隙半導體材料(如碳化矽SiC)的MOSFET。如今，所有PFC級均採用SiC MOSFET作為快速開關橋臂，並使用矽基超接合面MOSFET作為相位或慢速橋臂。
與矽MOSFET相比，SiC MOSFET性能更佳、效能更高，且穩健可靠。在高溫環境下，SiC MOSFET表現更出色，並能在更高的開關頻率下運行。
與矽基超接合面MOSFET相比，SiC MOSFET在輸出電容中儲存的能量(EOSS)較低，而這對於實現低負載目標至關重要，因為PFC級的開關損耗主要來源於EOSS和閘極電荷相對較高的零組件。較低的EOSS可顯著減少開關過程中的能量損失，進而提高圖騰柱PFC快速橋臂的效能。此外，由於SiC元件具有出色的熱導率，約為矽基元件的三倍，因此與矽基超接合面MOSFET相比，SiC MOSFET具有更好的正溫度係數RDS(on)。
圖4為650V SiC MOSFET導通電阻與接面溫度的關係。接面溫度為175°C時的導通電阻比室溫時的導通電阻高1.5倍。
圖4 650V SiC MOSFET導通電阻與接面溫度的關係
同樣，圖5為650V矽基超接合面MOSFET的導通電阻與接面溫度的關係。接面溫度為175°C時的導通電阻比室溫下的導通電阻高2.5倍以上。
圖5 650V矽基超接合面MOSFET導通電阻與接面溫度的關係
比較額定RDS(on)類似的650V矽基超接合面MOSFET與650V SiC MOSFET，在接面溫度(Tj)為175°C時，前者的導通電阻(RDS(on))提高到約50mohm，而此時後者的RDS(on)約為30mohm。在高溫運行期間，650V SiC MOSFET的導通損耗更低。
在圖騰柱PFC慢速橋臂功能塊和LLC功能塊中，導通損耗占總功率損耗的主要部分。SiC MOSFET在較高接面溫度下的RDS(on)較低，有助於提升系統效能。
得益於在高溫下RDS(on)增幅較小且EOSS表現出色，SiC MOSFET在圖騰柱PFC拓撲中表現優異，更有助於提高效能並減少能量損失。
新型SiC MOSFET降低開關損耗
廠商如安森美(onsemi)的650V M3S EliteSiC MOSFET(包括NTBL032N065M3S和NTBL023N065M3S)提供的開關性能大幅提升了PFC和LLC級的系統效能。M3S EliteSiC技術性能遠超過其前代產品，其中閘極電荷降低了50%，EOSS降低了44%，輸出電容(QOSS)中存儲的電荷也減少了44%。在PFC級的硬開關拓撲中，EOSS性能可進一步提升輕載下的系統效能。此外，較低的QOSS簡化了LLC級軟開關拓撲的諧振儲能電感設計。
受惠於出色的開關性能和效能，M3S EliteSiC MOSFET散發的熱量更少。除了有助於減少資料中心的散熱需求外，該元件還能在高工作頻率的PFC和DC-DC功能塊中(例如電動汽車(Electric Vehicle, EV)的壁掛式直流充電樁中)以較低的溫度運行。
此外，在相同電壓等級下，M3S EliteSiC MOSFET的閘極電荷Qg更優異，並能降低閘極驅動損耗。同時，出色的Qgs和Qgd也有助於降低開關導通和關斷損耗。在LLC功能塊中，當VDS從關斷狀態轉換到二極管導通狀態時，需要對輸出電容進行充電。為了快速完成此過程，必須使用低瞬態輸出電容(COSS(TR))。瞬態COSS在這裡至關重要，是因為瞬態COSS可以最大限度地減少諧振儲能的迴圈損耗，並縮短LLC的空載時間，進而減少初級側的迴圈損耗。低導通電阻能夠盡量減少導通損耗，而低EOFF有助於進一步降低開關損耗。總體而言，提升系統效能是一大關鍵性能標準，這使得SiC MOSFET成為資料中心PFC和LLC級的優選方案。
新型EliteSiC MOSFET也非常適合能源基礎設施應用，例如光伏(PV)發電機、儲能系統(ESS)、不斷電系統(UPS)和電動汽車充電站。設計工程師可以使用M3S EliteSiC MOSFET來縮小整體系統尺寸，進而提高工作頻率。從系統角度來看，與矽基650V超接合面MOSFET相比，M3S EliteSiC MOSFET可幫助設計工程師降低系統成本。
在成本、電磁干擾(EMI)、高溫運行和基於相同RDS(on)的開關性能方面，新型EliteSiC MOSFET可以與市場上的超接合面MOSFET相媲美。相較於超接合面MOSFET，採用相同封裝的650V M3S EliteSiC MOSFET可實現更低的RDS(on)，有助於提升LLC拓撲的系統效能。與其他矽基替代元件相比，其優勢在於開關損耗顯著降低(圖6)。
圖6 650V M3S EliteSiC MOSFET的優勢
提高效能滿足AI雲端運算需求
本文簡要探討了超大規模資料中心日益增加的電力需求，對高效電源轉換所需的更高標準。隨著AI帶動全球變革，需要提高效能讓現有的電網能夠滿足AI驅動的雲端運算急劇發展的需求。
採用SiC MOSFET可以顯著提高PFC和LLC級的效能。650 V M3S EliteSiC MOSFET能夠提升超大規模資料中心的PFC和LLC級的效能。650V M3S EliteSiC MOSFET具有更低的閘極電荷、EOSS和QOSS，可以提升效能並簡化PFC和LLC級中的硬開關拓撲設計，有助於減少電力消耗，降低營運成本。
(本文作者為安森美產品線經理)