伴隨著AI的蓬勃發展，依托傳統工作負載量所規劃的數據中心基礎構架正面臨巨大壓力，對電力的需求也高速成長，比如OpenAI的熱門聊天機器人ChatGPT每天需響應約2億個用戶請求，這可能要消耗超過50萬千瓦時的電力，而據Nature預計2023年數據中心的耗電量將達到3000TWhr，相當于全球能耗的10%，因此數據中心運營商亟需尋找高效的AI服務器電源解決方案，以減少電能制式轉換過程中的損耗。

當下提升服務器電源效率，降低算力中心能耗的措施主要有兩種，除了可以從設計層面出發，采用更高效率的 無橋圖騰柱(Totem-Pole) PFC等更簡潔的電路拓撲結構，來減少尺寸和元器件數量，減少信號路徑上的損耗外，更重要的是需要從硬件層面出發，使用氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等可以在單位面積內可以承載更大的功率和能量的第三代寬禁帶半導體材料替代傳統硅基材料來制造開關電源，以實現在更高的電壓和溫度下工作，同時減少開關損耗。

傳統硅基器件在服務器電源的應用弊端

在電力能源產業中，開關模式電源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是十分重要的一類電源供應器，為各類用電設備所必須依賴的設備，其可以將一個固定位準的輸入電壓轉化為電力使用端所需求的的電壓或電流，并在電網與用電設備之間起到隔離、安全保護的作用。現如今，行業內電力電子技術主要依靠的硅基半導體器件，雖然件一直在不停地更新換代，但其在開關頻率、功率損耗等各方面均已逼近該類功率器件物理上的極限，其開關頻率一般不高于 400kHz，且隨著額定電壓的升高，其導通電阻阻值急劇增大，已不適用于著AI服務器等高性能計算設備對電源供應的需求。

幾類類半導體材料的性能對比（來源：參考文獻1）

氮化鎵在服務器電源的應用

作為第三代寬禁帶半導體材料器件的代表，GaN 器件相比于硅基器件具有更優異的性能和能耗表現，其禁帶寬度為3.4eV，電氣遷移率為2000cm² /V·s，漂移速度達2.5×107cm/s，擊穿電場達 3.3 MV/cm，因此其可以在高電壓（高達1,000 V）和高頻率（高達10兆赫）應用中，依然可以保持緊湊的電路設計，同時降低導通電阻和開關損耗，從而進一步提升能源效率，目前氮化鎵模塊的電源效率普遍高達94%，與此同時，高飽和漂移速度和高擊穿電場，也使得氮化鎵可以支持更高的功率密度，當前市面上已有一部分氮化鎵功率模塊可以做到90W/in³以上的功率密度。

不過，熱導率相對較低，為2.2W/cm·K，在超過4kW以上的功耗時，氮化鎵的高傳導損耗就已經對其散熱設計提出巨大的挑戰，因此從目前市面已有的氮化鎵服務器電源來看，其主要面向最高3kW左右的數據中心供電，適用于LLC 諧振直流-直流(DC-DC)變換器開關電源等導通損耗為最主要的損耗的器件上。

碳化硅在服務器電源的應用

碳化硅與同樣為第三代寬禁帶半導體材料的氮化鎵相比，其帶隙寬度和擊穿場強的差距并不大，分別為3.2eV和3.5MV/cm，這使得其本身需要更大的本征激發能量，因此器件也能夠與氮化鎵器件一樣在高溫下依然正常穩定工作，同時具有較低導通損耗，能夠實現較高的電源效率，降低了開關損耗，提高了電流承載能力，并加快了開關速度。更值得一提的是，碳化硅熱導率相比氮化鎵還要更大一倍（4.5W/cm·K），具有更加優良的散熱能力，可承受高達 200°C 的結溫，在高功耗場景下也能實現散熱器的小型化，提高集成度，可用于高壓、大功率（600 V以上，1kW以上）應用，特別適用于超過4kW的大功率直流電源場合。

不過，碳化硅由于成本還未降低至與氮化鎵或硅器件同一水平，目前在服務器電源上的應用主要還是在中大功率的模塊化UPS上

2000V碳化硅MOSFET / 英飛凌

小結

氮化鎵、碳化硅作為第三代寬禁帶半導體材料的代表，都可用于制作開關電源，為AI數據中心服務器提供更高的電源效率，減少電力損耗。其中，氮化鎵可在高電壓（高達1,000 V）和高頻率（高達10兆赫）下，保持高達94%的電源效率，在面向2-4kW的數據中心供電時占據成本優勢。然而在超過4kW以上的功耗時，其較低的熱導率限制了其使用，這個情況下，碳化硅則能夠在滿載時實現更高的電源效率。

參考文獻：

1、吳存鑫.基于氮化鎵的高效高密度開關電源研究[D].合肥工業大學.

2、黃天一,卞正達,徐長福,等.基于碳化硅器件的無線充電系統電源設計[J].電力工程技術.

3、曹宇翔,張瀟,王少寧,等.碳化硅功率器件在宇航電源中的研究與應用[J].電子設計工程.

4、周凱揚，《服務器電源向10kW進發，三代半或是唯一出路》， 電子發燒友網.

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