高压DC：AI数据中心的电源解决方案

高压DC体系结构改变了数据中心的电源分配，从而减少了当今AI驱动的设施中对大量母线的需求。图像：Alamy

从云计算到管理数据库，数据中心对于诸如云服务，电子商务，客户关系管理系统，在线娱乐，游戏和虚拟银行等应用程序至关重要。

结果，数据中心在全球范围内一直在迅速增长，这导致了总体功耗的相应上升。

AI处理可以利用领先的微处理器和图形处理单元的处理能力，已将数据中心的功耗水平提高到新的高度。根据国际能源机构最近的一份报告，数据中心的电力使用到2030年将达到945 TWH，在2024年几乎将415 TWH翻倍。

数据中心内部的服务器机架通常具有大约1兆瓦。机架功率的增加增加了当前处理能力，超出了当前DC总线功率体系结构的实际限制。例如，为了为1 MW架提供动力，如今S 48 V分配系统将需要超过20,000安培的电流。传递此电流的铜舱的大小和成本是不现实的。

因此，满足人工智能工作量的大型电力处理需求需要更高的电压DC（HVDC）功率分配系统。功率转换需要高级控制技术和高水平的电路集成，以使HVDC数据中心的高效率和高功率密度。

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在本文中，我们将研究HVDC架构，并讨论最大化效率和功率密度所需的技术类型。

HVDC电源分配系统

图1显示HVDC系统的基本构建块。表1列出了每个块的简要说明。

对每个块的详细讨论图1本身就是独立论文。因此，为简单起见，我将重点放在PFC和DC/DC块上，并在每个PFC上强调了每种技术，以实现高效率和高功率密度。PFC

PFC必须能够处理超过30 kW以达到每个机架1兆瓦的目标功率水平。

PFC的基本目标是高效率，低谐波失真和高功率密度。

实现这些目标需要系统中多个反馈回路的复杂实时微控制器（MCU）。MCU还需要向主机系统报告诸如功耗之类的内容。该MCU将需要能够控制功率转换开关的转机和关闭，并收集和处理关键的系统级数据。

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关键系统级数据的示例包括输入电压，输入电流，输出电压，输出电流和现场效应晶体管（FET）温度。在某些情况下，在高架开关频率下保持效率很高可能是必需的。一种这样的控制技术是三角电流模式（TCM）控制的PFC。这种类型的PFC以在每个开关周期，所有输入电压和所有负载条件上实现零电压开关（ZV）的方式控制电源开关。

图2是具有此类控件的系统的基本框图，与S的MCU一起使用MCU以及S开关₁和s₂。GAN既具有低输出电容，又提供最大程度地减少与转交和关闭相关的切换损失的能力。gan显示了图2具有额外的零电压检测（ZVD）功能，该功能报告了该开关是否已使用ZVS打开，该功能可用于使用TCM的新的，更准确的控制算法，可实现99％以上的效率超过99％，功率密度约为120W/in³。

DC/DC

DC/DC阶段还需要高效率和高功率密度。但是，拓扑结构和控制结构与PFC非常不同。DC/DC阶段的合理拓扑选择是电感 - 电感器（LLC），可以在所有负载条件下实现ZV。对DC/DC阶段的有效控制也将需要高级MCU。此外，高开关频率和对ZVS的需求也使GAN成为有吸引力的选择。为了使LLC在合理的负载和输入电压范围内进行调节，频率调制将控制输出电压。

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控制LLC输出整流器以近似理想二极管的行为非常困难。FET时机中的小错误将导致额外的传导损失，甚至会导致电流流动。可配置的逻辑块以及GAN开关中可用的ZVD和零电流检测功能，使MCU具有必要的功能，以确保GAN在逐个周期的基础上近似理想二极管的行为，同时防止反向电流和保持高效。

感应，门驱动和偏见

在保持高带宽的同时，限制电压和电流测量值是PFC和LLC的重要特征。为了解决这个问题，某些电压和电流传感器将测量源处的信号数字化，并通过孤立的接口报告数据。这样可以使用数字噪声技术而不是敏感的模拟信号将测量值传输回控制器。

如果无法用于信号采样的电源，则其中许多电压和电流传感器具有内置偏置功率。

30kW的功率需要驱动许多FET的复杂拓扑。例如，在PFC中，用于三相交流输入的三级飞行电容器拓扑将需要12个FET。每个FET都需要自己的驱动器并支撑偏置供应，以高频有效地打开和关闭FET。同样，双输出三相有限责任公司将需要24个具有偏见和隔离的FET。集成的隔离器，隔离驱动器和偏见供应ICS可以有效地小型溶液。在这些隔离器，驱动器和传感器中发现的集成能够最大程度地减少这些系统的整体足迹，最大化效率并降低噪声。