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，在這裡你將聆聽英飛凌技術專家對熱門應用的深入解析，共同探討產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要求。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。
以下是本期播客的文字摘要。
超大型數據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，耗電量約占全球總需求的2%。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，以滿足高效能處理器的需求，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，先將交流電轉換為供鉛酸電池使用的直流電，然後再將直流電轉換回交流電。而現在，在超大規模的數據中心中，透過將UPS系統和備用電池整合到每個機架，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）：先透過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，以優化轉換效率。目前階段這一轉換效率已超過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）：它通常運作在12伏，並以0.7伏的典型輸出電壓直接為處理器供電。這一步的轉換效率通常可達到90%左右，就目前來看，這是提升整體效率的關鍵環節。透過降低中間總線電壓，並將負載點轉換器盡量靠近處理器，例如安裝在處理器背面，調整架構設計以實現整體效率的提升。在此過程中，也需要權衡配電過程中的損耗，並綜合考量負載的實際功率。
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檔。
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元件，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，英飛凌透過以下創新解決方案助力資料中心「減負提效」：
寬能隙半導體
使用碳化矽、氮化鎵和矽相結合的功率元件，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接矽。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於碳化矽和氮化鎵元件，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」
傳統的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規範允許備用電池不僅僅是待命，還能在負載高峰時，例如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，例如僅需調節三分之一的電力。這種方法具有顯著的成本效益，因為轉換器尺寸小且效率非常高，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的空間比傳統全功率後備電池單元轉換器少，優化了整體空間。
中間總線電壓優化
當前數據中心普遍採用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。對於高效能處理器，例如用於AI訓練的GPU，可以在幾奈秒內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。在使用切換電容轉換器的情況下，透過特定的拓撲結構可以實現這一點，這正是英飛凌目前正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元件解決方案，也就是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，同時需要整合數位訊息傳輸和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，透過從主機板背面直接供電至處理器，大幅減少電力損耗，同時結合整合型電感器與先進的冷卻設計，提升整體系統的緊湊性與效率。
未來展望
基於當前的發展趨勢，隨著功率水平持續攀升，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）取代。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層級將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，那麼對於寬能隙功率元件而言將是一個巨大的成長機會，這將推動碳化矽和氮化鎵等寬能隙元件的應用。
數據中心正邁向更加高效、緊湊、智能的技術時代，而英飛凌始終致力於為這一發展提供可靠的功率轉換解決方案，助力產業實現技術躍升。
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