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1、 高功率密度服務器電源模塊化設計 白皮書 （2024年12月）開放計算標準工作委員會 發布 OCTC BA032024 I 版權保護文件 版權所有歸屬于該文件的發布機構，除非有其他規定，否則未經許可，此發行物及其章節不得以其他形式或任何手段進行復制、再版或使用，包括電子版，影印件，或發布在互聯網及內部網絡等。使用許可可于發布機構獲取。II 目 次 目 次.II 前 言.IV 1 概述.1 1.1 適用范圍.1 1.2 目標受眾.1 1.3 技術背景.1 1.4 縮略語.2 2 GaN 功率半導體.3 2.1 技術發展.3 2.2 產品特性.3 2.2.2 參數特性.4 2.2.3 技術趨勢分析

2、.4 3 服務器電源應用.5 4 模塊化電源方案.6 4.1 物理結構.7 4.2 拓撲架構.8 5 模塊設計.10 5.1 PFC 模組部分.10 5.1.1 PFC 模組 3D 視圖.10 5.1.2 PFC 模組尺寸規格.10 5.1.3 PFC 拓撲選擇.13 5.1.4 PFC 技術特點.13 5.1.5 PFC 擴展性.14 5.1.6 PFC 能效要求和性能.14 5.2 DC/DC 模組部分.15 5.2.1 LLC 模組 3D 視圖.15 5.2.2 LLC 模組尺寸規格.15 5.2.3 SR 模組 3D 視圖.17 5.2.4 SR 模組尺寸圖.18 5.2.5 DC/D

3、C 拓撲選擇.20 5.2.6 DC/DC 技術特點.20 5.2.7 DC/DC 模組擴展性.21 5.2.8 DC/DC 模組能效要求和優勢.21 5.3 輔助源模塊.22 5.3.1 輔助模塊 3D 視圖.22 5.3.2 輔助源模組尺寸圖.22 5.3.3 輔助源模組拓撲.24 5.3.4 輔助源模組技術特點.24 III 5.4 控制板模塊.25 5.4.1 控制模塊 3D 視圖.25 5.4.2 控制模組尺寸圖.25 5.4.3 控制模組技術特點.26 6 電源整機性能.26 6.1 電氣性能.26 6.2 散熱性能.26 6.3 生產制造.27 7 實測數據參考.28 7.1 L

4、LC 工作波形.28 7.2 PFC 工作波形.28 IV 前 言 本文件由浪潮電子信息產業股份有限公司提出。本文件由開放計算標準工作委員會歸口。本文件起草單位：浪潮電子信息產業股份有限公司，深圳歐陸通電子股份有限公司，阿里云計算有限公司，京東云計算有限公司，北京百度網訊科技有限公司，長城電源技術有限公司，光寶新創科技（北京）有限公司，英諾賽科蘇州科技股份有限公司，艾科微電子(深圳）有限公司，英飛凌半導體（深圳）有限公司。本文件主要起草人：王武軍，高鵬飛，黃俊來，練恒，李升，程冰，金曉毅，李曉強，許翔，黃偉程，丁勇，陳安，馬文超，肖昌允，余品德，沈睿罡，陳國峰，王桂林，劉祖貴，司冬子。OCTC

5、 BA032024 1 高功率密度服務器電源模塊化設計 1 概述 碳中和已經是全球關注焦點，二氧化碳工業排放已經達到歷史最高水平且短期內無減緩趨勢。在電能應用領域第三代半導體以其更小的導通電阻、更好的寄生參數、更快的開關速度，成為提高產品功率密度、提高電力系統轉化效率的關鍵。在越來越多的高密度、高能效電源應用中，第三代半導體在加速迭代導入，并顯現出取代硅功率器件的趨勢。近年來隨著消費電子領域GaN功率器件應用的逐漸成熟和成本下探，GaN應用范圍正逐步輻射到數字基建、工業能源、汽車等領域。服務器電源是數據中心、算力中心供電系統中的重要設備，是數字基建領域提高能效的關鍵環節。隨著AI需求的增加，服

6、務器功耗不斷增加，在散熱、功率密度、能效等需求的反向推動下，更高功率密度、更大功率、更高效的鈦金電源將是服務器電源行業發展必然趨勢?；贕aN功率半導體的高效率電源開發和導入是將是未來服務器電源行業探索的重要方向，如何高效的推進GaN功率器件在服務器電源應用是此白皮書的核心目的。本白皮書基于行業主流尺寸形態的服務器電源進行GaN應用的模塊化設計，核心是打造合理的平臺化電源設計方案，為新型GaN器件驗證提供便捷平臺，讓電源研發成本和物料替換成本更低。此外，模塊化平臺設計還針對智能制造、新型散熱、新產品化等進行綜合考量，旨在攜手建立服務器電源模塊化開發平臺，高效推動All GaN服務器電源產品開發

7、和升級。白皮書針對GaN應用的模塊化服務器電源的產品思路進行方案解讀?；谀壳皣鴥确掌麟娫词袌鲋髁鞯腃R73-185（185mm*73.5mm*40mm）電源的尺寸規格進行參考設計和標準模塊化的產品形態定義。對于產品應用、技術前瞻、標準模塊規格定義、標準化兼容設計等方向本白皮書都作了詳細說明。浪潮信息始終關注開放計算的相關前沿技術和發展，秉承合作共贏的理念聯合相關單位共同起草編寫該技術白皮書。1.1 適用范圍 文件涉及的電源產品為基于GaN器件應用的服務器供電模塊。本白皮書規定了服務器電源的模塊化定義、GaN模塊化方案、技術要求。本白皮書適用于由功率因數矯正電路、DC/DC電路、輔助源電路、

8、數字控制電路組成的服務器開關電源。1.2 目標受眾 本白皮書主要適用于以下人員：服務器電源研發工程師；服務器研發工程師；電子器件工程師。1.3 技術背景 OCTC BA032024 2 在服務器電源高能效、高功率密度設計方向，目前識別的主要難點在于隔離變壓器設計、功率電感設計、功率半導驅動適配。傳統服務器電源常用的分立式磁件體積大、定制開模復雜、生產自動化程度低、復用性低、開發周期長，這對電源產品化迭代升級非常不利。雖然平面變壓器模組概念早在80年代就被提出，但是因為Si Mos開關頻率低導致平面變壓器線圈設計難度大、板層多、價格昂貴，從而在服務器電源中普及度不高。隨著第三代寬禁帶GaN器件的

9、推出，電源開關頻率得到顯著提升，這能有效減少平面變壓器線圈匝數和板層，目前板層降低到8-10層后平面變壓器產品化優勢逐漸顯現。另一方面GaN的材料成本相比SiC有理論優勢，規模放量后，器件成本優勢會逐漸顯著，材料成本上存在接近Si功率器件的可能。新型半導體材料帶來的電源磁材平面化升級將共同為電源功率密度提升、能效提升帶來產品迭代契機?；贕aN功率器件的產品化導入的難點在于GaN器件方案自身差異和電源拓撲方案選擇差異，這讓不同GaN器件導入到電源設計的開發周期以及驗證周期較長。另外電源產品迭代過程自動化生產需求導入和研發成本控制也是現行產品規劃必須要考量的。此技術白皮書的核心目的就是在電源設計

10、中基于模塊化思路實現快速導入GaN功率器件。模塊化的設計思想可以實現平臺化設計，導入模塊化后不同功率電源可實現模塊復用，從而降低電源開發難度、縮短開發周期。完成模塊化設計后不同GaN器件的導入驗證及設計也將是基于模塊層級的調整不再與整體電源方案做綁定，替代料導入及驗證更加靈活和便捷。本文提出的基于GaN應用的模塊化設計方案旨在為電源開發提供標準化設計的方案思路，推動更多的電源廠商和器件廠家參與到電源產品的技術迭代升級，為前端應用客戶提供高效、高質量的產品應用信心。1.4 縮略語 術語與縮寫 內容 英文 中文 PSU Power Supply Unit 電源模塊 CRPS Common Redu

11、ndant Power Supplies 冗余式供電電源 GaN gallium nitride 氮化鎵 AlGaN Aluminum Gallium Nitride 鋁鎵氮 HEMT High-Electron-Mobility-Transistor 高電子遷移率晶體管 2DEG Two Dimensional Electron Gas 二維電子氣層 IGBT Insulate-Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極晶體管 MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor 場效應晶體管 CSI Common

12、Source Inductance 共源電感 OCTC BA032024 3 EMI Electromagnetic Interference 電磁干擾 PFC Power factor correction 功率因數校正 LLC Inductor-Inductor-capacitor Series Resonant Converter LLC 串聯諧振變換器 SR Synchronous rectification 同步整流 DC/DC DC/DC Power System DC/DC 轉換電源 AC/DC AC/DC Power System AC/DC 轉換電源 CFM Cubic Fe

13、et per Minute(airflow unit)氣體流量單位 2 GaN 功率半導體 2.1 技術發展 氮化鎵(GaN)作為一種寬禁帶半導體功率器件，相較傳統基于硅金屬氧化物的場效應晶體管(Mosfet)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)在服務器電源應用中具有顯著的性能優勢。電源產品應用GaN功率器件更容易實現的功率密度和效率提升。60多年來，硅半導體是電源轉化的基礎。而如今硅已很難在不增加尺寸的情況下通過提高運行頻率提高功率。因此在過去的十年中，許多電源設計師轉向氮化鎵，電子工程師對GaN功率器件的創新潛力保有信心的主要原因如下：1）GaN器件能夠突破傳統硅方案的頻率壁壘實現高頻化。高頻化

14、設計帶來磁材尺寸減小、能效提升，散熱設計和電路布局更容易、更合理，功率密度及效率提升更加簡單。2）集成驅動是GaN產品的發展趨勢，這能夠帶來進一步的性能優勢和可靠性優勢。3）GaN器件的產品成本在逐漸降低。此外基于GaN器件應用的高能效產品帶來的整體供電成本的降低也讓GaN電源產品更具吸引力。4）GaN器件的可靠性持續提升。盡管與硅相比，GaN在半導體領域相對較新，但材料發展已多年，其可靠性在消費電子應用領域已經做了長時間、大批量驗證，數據中心等工業應用中第一代GaN電源已陸續投入使用。GaN功率半導體生產工藝層面上已逐漸趨于成熟，產品的良率也在逐步提升，經過多年使用驗證GaN器件產品已經形成

15、了完善的器件和終端產品層級的可靠性驗證方法。2.2 產品特性 2.2.1 結構特性 傳統的Si半導體通過改變漏源級之間的半導體導通特性，HEMT型GaN功率器件利用了GaN和AlGaN混合材料的異質結構形成的高電子遷移率平面層（2DEG層）構成漏源通道。當施加電壓時，柵極電場會控制2DEG層的電子密度，從而控制通道導電，通過調節柵極電壓，實現器件開關。OCTC BA032024 4 HEMT GaN可以實現更高的電子遷移率，在標準晶元上導通阻抗能控制的更低。HEMT GaN采用GaN-on-Si工藝將實現在更便宜的硅晶片上制造GaN功率場效應管，除此外由于沒有傳統的PN結，氮化鎵FET結構沒有

16、形成體二極管。圖 1 HEMT GaN 結構 2.2.2 參數特性 圖 2 Si MOS 器件原理圖 GaN器件的結構及材料特性帶來了明顯的電氣特性變化，相較傳統的Si MOS器件具備更低的柵極電容、更低的漏源電容、更低的導通損耗、更低的反向恢復損耗。從應用層面可實現更高的工作頻率、更低的開關損耗、更低的導通損耗。1）CG,QG降低能改善驅性能，驅動損耗降低、開關速率加快有利于能效提升和開關頻率提升。2）Coss,Qoss 降低能改善源級、漏級導通的開關速率，有利于提升開關頻率、降低開關損耗。3）GaN器件的材料及結構特性能降低器件的導通阻抗參數帶來效率提升。4）GaN器件的材料及結構特性讓器

17、件本身不再有內部體二極管。2.2.3 技術趨勢分析 GaN是通過2DEG層高濃度電子通道導電，因此不存在硅MOSFET體二極管反向恢復的問題,體二極管的消除將帶來的反向恢復損耗的消除，在應用上帶來開關損耗的降低，除此外還能帶來開關振鈴和EMI的改善。但這也意味著在柵極和源極之間不加任何電壓情況下漏極和源極之間是導通的，即是常開器件。然而電力電子電路常需要常關的器件作為開關管，所以需要將常開轉變為常閉?；陂_關關斷方式差異GaN功率器件分為通過柵極增加P型氮化鎵外延層來實現關斷控制的增強型GaN(E-mode)和通過內部級聯一個低壓增強型N溝道MOS的耗盡型GaN(D-mode)。OCTC BA

18、032024 5 E-MODE和D-MODE GaN各有利弊。D-MODE的最大優勢是與Si-MOSFET驅動兼容，可以實現快速開發。但是其混合結構的額外封裝會造成寄生電感的增加，導致噪聲變大，工作頻率受限。直接驅動型D-MODE GaN器件中的Si-MOSFET主要用于實現常態關斷，性能較傳統MOSFET有所提升，但并未完全解決混合結構所引起的問題。由于需要控制MOSFET和D-MODE器件，一般需要集成驅動控制電路。E-Mode器件由于柵極驅動閾值較低，高頻開關時對電路寄生參數非常敏感，驅動電路相對復雜，并對layout提出了很高的要求。但是E-MODE可以最大程度發揮GaN器件性能優勢，

19、伴隨著技術和可靠性迅速提升，已逐漸成為主流。1）集成驅動將是GaN功率器件的重要發展方向。離散驅動方式帶來較大的寄生電感，在高頻應用場合會顯著影響驅動特性、開關頻率、轉換效率，處理不當將帶來可靠性的風險。將驅動集成到GaN功率器件中，可以很好的解決寄生電感和柵極驅動的問題。另外GaN功率器件的柵極開啟電壓較低，一般需要采用范圍較窄的負壓驅動因此驅動電壓嵌位處理。2）封裝散熱設計不斷優化。GaN器件損耗會帶來導通電阻的上升進而加劇動態Rdson的影響，會降低效率，并引起可靠性問題。GaN器件要求采用更先進封裝材料和工藝以提高器件的散熱效率，并采用底部散熱、頂部散熱、雙面散熱、金屬封裝、裸die等

20、各種方式提高散熱性能。3）器件封裝形式逐漸趨于規范。較為成熟的功率器件，如MOSFET，不同廠商一般會提供PIN-PIN器件。GaN功率器件的封裝差異較大，PIN-PIN器件相對較少。隨著GaN功率器件應用的日益廣泛，廠商必然會主動或被動的將器件封裝進行收斂，主流產品的封裝將會逐漸趨于規范。3 服務器電源應用 目前GaN功率器件在服務器電源的應用主要是聚焦到傳統硅器件較難實現的2400W及以上高功率密度電源產品，以及一些高能效需求的電源產品。在高能效的無橋PFC架構以及高頻小型化應用中GaN功率半導體器件的快開關特性和高反向電壓快恢特性與傳統的Si MOS器件相比有著不可替代的優勢。近年來服務

21、器電源應用領域將迎來鈦金效率需求的產品升級?，F階段已量產的鈦金電源產品多數還是基于傳統Si MOS方案，只有少量使用第三代半導體產品。但隨著鈦金效率電源的普及以及市場的充分競爭，圍繞GaN功率半導體打造新一代高效服務器電源是必然。在基于GaN器件的服務器電源應用中，應用方可重點關注如下幾個方向：1）基于GaN器件的服務器電源設計的關鍵功率器件部分的驅動設計是否可靠，驅動波形以及電流波形是否滿足設計要求，對應的死區設計以及在特殊壓力及突加載情況下的驅動信號及導通電流是否存在異常。2）新型GaN功率器件的封裝選擇以及散熱設計是否存在風險，制程上針對新的封裝設計以及選擇要充分驗證，避免新的封裝導入帶

22、來的一些制程問題以及失效。3）關注電源溫度測試、動態特性測試，提前識別溫度風險以及動態特性下器件耐受能力。4）基于GaN應用的服務器電源需要持續關注運維數據、生產質量數據，提前關注和預防失效發生。5）優先在鈦金電源以及高功率密度需求電源使用?；贕aN功率器件的服務器電源設計的導入預期將會是全面化的，本白皮書是基于機架式服務器最主流的185mm*73.5mm*39mm尺寸的冗余式模塊電源（后文簡稱CR73）進行標準化設計方案的探究，該方案架構下185mm*68mm*39mm（后文簡稱CR68）尺寸電源也可橫展參考。OCTC BA032024 6 圖 3 CR73 電源 圖 4 CR68 電源

23、4 模塊化電源方案 本白皮書是基于可擴展模塊化思路進行設計，服務器電源模塊具有標準尺寸下的功率分段兼容需求。白皮書以CR73服務器電源為例基于目前主流極限功率3200W進行設計方案開發，該設計最大兼容雙模塊方案，標準模塊最大功率規格為1600W，雙模塊最大實現3200W。目前在基于GaN的模塊化設計中主要分為：功率模塊集成式方案和功率模塊分離式方案。功率模塊集成式方案考慮將服務器電源的PFC、DC/DC兩個核心功率模塊集成到單獨的PCB上形成兩個基于GaN功率器件以及平面化磁器件的高功率密度模塊。而功率模塊分離式方案將PFC、DC/DC模塊分離成多個標準化模塊。本白皮書基于功率模塊分離式方案進

24、行標準化設計，主要考慮模塊中只有在平面磁集成部分才需要較多板層，在功率半導體部分由于無6層以上板層需求。相較于功率模塊集成式方案分離式布局也將更靈活，這對一些定制化磁器件的選擇上更加靈活，除此外由于功率模塊分離后進行階梯狀布局分布讓散熱更加容易實現，特別在低功率配置應用下較明顯。OCTC BA032024 7 圖 5 基于 GaN 的模塊化電源設計示意圖 注 1：CR73 服務器電源模塊的寬度較適合雙模組化的設計理念，寬度縮短將對磁性器件要求更高?？紤]到效率因素目前 220Vac 供電環境下市場主流 16A 輸入連接器最大支持到 3200W。更高功率電源模塊需要考慮導入定制化輸入連接器。注 2

25、：不同規格尺寸服務器電源功率分段理念不同，因此標準模塊功率定義會有不同，例如 CR60（185mm*60mm*39mm）的標準功率規格 1X 可定義為 1000W，2X 可定義為 2000W，而 CR68 的標準功率規格 1Y可定義為 1400W，2Y 可定義為 2800W。注 3：不同服務器電源功率在電源連接器選型上也會存在差異，當額定電流小于 10A 電流時選用 IEC320C14 標準插座（外形有外置式、內置式、卡式等）；當額定電流大于 10A 電流時選用 IEC320C20 標準插座（外形有卡式等）。圖 6 IEC320C14/IEC320C20 輸入連接器 4.1 物理結構 圖7展示

26、了基于GaN功率器件的雙模組化的高功率服務器電源的布局示意圖，而圖8是復用功率模組定義取消掉其中一組功率模組實現功率降低一倍的模組化方案的布局示意圖，關于架構布局可參考如下標準化理念：1）輸入區域可根據PSU設計要求，自行調整保險絲、EMI組件、浪涌控制相關線路布局，建議盡量考慮自動化生產也進行相關模組化設計。浪涌控制線路禁止直接串聯在母線電容上。2）PFC模組支持雙路GaN 交錯式圖騰柱PFC，PFC模組外形尺寸和引腳定義不區分高低高低功率模組，但在低功率可使能一路或者選擇低規格器件。3）LLC模組外形尺寸和下引腳固定，可支持不同廠商GaN封裝。高功率建議為雙LLC模組的全橋LLC，低功率建

27、議為單LLC模組的半橋LLC。4）變壓器高頻SR模組外形尺寸和引腳定義固定，高功率建議為雙SR模組，低功率建議為單SR模組。OCTC BA032024 8 Fuse/EMI/Inrush區域輸出濾波PFC電感區域Bulk電容Aux模組控制板變壓器及SR變壓器及SR諧振電感PFC模組LLC模組LLC模組 圖 7 雙模組化高功率 GaN 電源架構布局圖 Fuse/EMI/Inrush區域輸出濾波PFC電感區域Bulk電容Aux模組控制板TBD變壓器及SR諧振電感PFC模組LLC模組TBD 圖 8 單模組化低功率 GaN 電源架構布局圖 注：本白皮書涉及的基于 GaN 應用的 CR73 電源模組化設

28、計采用的是分立的模組化設計，并未采用 PFC&DC/DC集成式模組化設計（可參考 Figure11 視圖）。分立式模組化設計的 GaN 電源主要考慮在除 SR 磁集成模組部分其他功率模組器件的板層需求較低，一體化設計會帶來高板層需求板面的增加。分立布局后 PFC 及諧振區電感布局空間更加靈活，從輸入到輸出的整個主功率走線更加順暢有利于走線路徑縮短降低 EMI 風險。除此外分立布局的方案對不同 GaN 器件的替代料應用驗證更加便捷，這對我們推廣應用 GaN 電源是很有吸引力的方案。4.2 拓撲架構 按圖9為基于GaN應用模塊化方案電源的拓撲架構圖，深色拓撲部分為低功率單模塊設計狀態下的主要拓撲方

29、案，深色和淺色拓撲一起組成高功率雙模塊狀態下的拓撲方案。兩種功率兼容方案在接口上兼容，可通過模塊的上下件及非上件狀態下的短路連接實現。高功率拓撲推薦以交錯式圖騰柱PFC+全橋LLC+雙平面模組并聯方案，模組并聯可分擔平面變壓器的熱應力，同時兼顧功率向上、向下擴展。低功率拓撲推薦以圖騰柱PFC+半橋LLC+單平面模組方案組成低成本方案。OCTC BA032024 9 圖 9 模塊化設計方案功率轉換拓撲 高功率版本和接口推薦：高功率拓撲推薦以交錯式圖騰柱 PFC+全橋LLC+雙平面模組并聯方案，模組并聯可分擔平面變壓器的熱應力，同時兼顧功率向上、向下擴展。C2Q2Q1DCD1C1R1LNFGEMI

30、 FilterL1L2C1Q5Q6Q1Q2Q3Q4ABLr1Cr1Lr2Cr2Q7Q8Q9Q10LmQ11Q12L3Q19Q13Q14C2C4LmQ15Q16Q17Q18C3 圖 10 高功率電源模組化電氣連接圖 低功率版本拓撲和接口推薦：低功率拓撲推薦以圖騰柱 PFC+半橋LLC+單平面模組方案組成低成本方案。OCTC BA032024 10 Q7Q8L2Q11Q9Q10C1LmC2C2Q2Q1DCD1C1R1LNFGEMI FilterQ3C1Q4L1Q1Q2LrCrQ5Q6 圖 11 低功率電源模組化電氣連接圖 5 模塊設計 5.1 PFC 模組部分 5.1.1 PFC 模組 3D 視圖

31、 基于GaN應用的模塊化設計方案，PFC模組的3D視圖參考見圖12。圖 12 PFC 模組 3D 視圖 5.1.2 PFC 模組尺寸規格 OCTC BA032024 11 圖 13 PFC 模組尺寸規格 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 圖 14 PFC 模組引腳定義頂部視圖 引腳定義(從左往右)：OCTC BA032024 12 表 1 PFC 模組頂部視圖引腳定義 序號 名稱 序號 名稱 1 VBulk_+8 VBulk_-2 VBulk_-9 B_PFC_L 3 A_PFC_L 10 Reserved 4

32、 A_PFC_DRV_TOP 11 B_PFC_DRV_TOP 5 Reserved 12 Reserved 6 A_PFC_DRV_BOT 13 B_PFC_DRV_BOT 7 VBulk_+13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 113 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 圖 15 PFC 模組引腳定義底部視圖 引腳定義(從右往左)：表 2 PFC 模組底部視圖引腳定義 序號 名稱 序號 名稱 1 VBulk_+8 VBulk_-2 VBulk_-9 B_PFC_L 3 A_PFC_L 10 Reserved 4 A_PFC_NTC 11 B_PFC_NT

33、C 5 Reserved 12 Reserved OCTC BA032024 13 6 Reserved 13 Reserved 7 VBulk_+5.1.3 PFC 拓撲選擇 在圖騰柱PFC的拓撲架構中GaN器件能發揮產品特性優勢。GaN器件沒有反向二極管恢復過程，且開關損耗相比Si Mos有顯著的降低。因此GaN應用在圖騰柱功率因素校正拓撲上，能同時實現提高功率密度和高效率的應用趨勢。具體優勢說明如下：1）高效率提升：利用GaN本身技術特性，其開關過程中的損耗遠低于傳統的硅MOSFET或IGBT，特別是在高頻應用中，且GaN幾乎沒有反向恢復損耗。2）簡化散熱設計：GaN器件的低導通和開關損

34、耗可以進一步降低損耗，因此散熱設計可以得到簡化。3）高功率密度提升：GaN優異的開關特性，可以將PFC的工作頻率大幅度提高，這意味著有機會將磁件原件可以設計得更小，有利于實現高功率密度的服務器電源。5.1.4 PFC 技術特點 表 3 PFC 模組電氣規格 輸入電壓范圍 交流輸入電壓范圍 描述 最小值 調整范圍 最大值 輸入(高壓)Vac_rms 180Vac 200-240Vac 264Vac 輸入(低壓)Vac_rms 90Vac 100-120Vac 132Vac 輸入頻率 Hz 47Hz 50/60Hz 63HZ 直流輸入電壓范圍（僅限中國）描述 最小值 調整范圍 最大值 輸入 Vdc

35、 180Vdc 240Vdc 320Vdc 功率因數 輸入條件 200VAC-240Vac 50Hz/60HZ 輸出功率 10%負載 20%負載 50%負載 100%負載 PF 值 0.90 0.96 0.98 0.99 諧 波 輸入條件 200VAC-240Vac 50Hz/60HZ OCTC BA032024 14 輸出功率 5%10%20%50%100%Ithd 20%15%10%8%5%GaN高頻開關可靠性要求：1）GaN 在所有工況中dv/dt嚴格小于設計額定值。2）GaN在所有工況中驅動關斷彈跳小于1V，且正負驅動電壓最大值在所有工況要嚴格小于額定值。3）GaN無雪崩能力，任何工況

36、VDS耐壓要嚴格小于80%設計額定最大值。4）GaN器件的連續電流及瞬時電流規格應小于90%額定值,滿載功耗應小于80%額定值。5）GaN器件應該用結溫應控制在最大結溫-25。6）本模塊采用CCM PFC控制屬于硬開關，因此高頻化并不能帶來明顯的效率優勢，除此外考慮EMI的影響在CCM PFC硬開關控制中頻率建議限制在65K-130K之間，基于實際的磁材及空間考慮決定實際控制頻率。如果想要實現更高頻化的設計通過導入TCM控制的圖騰柱PFC方案實現是主流設計方向。模組板材基本要求：1）模組板材要求芯板和膠片至少5mil,2piles。2）模組板材在雙85,1000小時測試后，能滿足100V/mi

37、l絕緣耐壓能力。3）功率低于2000W建議4層layout足夠，功率超過2000W建議用6層板。4）層數6層，建議PCB板材使用大于TG170的板材。5.2.7 DC/DC 模組擴展性 LLC擴展性要求如下：當功率等級在1600W以上功率時，基于器件熱應力，建議采樣全橋LLC拓撲架構。當功率等級在1600W以下時，基于成本考量，可采用半橋LLC拓撲架構。5.2.8 DC/DC 模組能效要求和優勢 50%負載效率大于等于98%410Vdc(包含控制損耗)。OCTC BA032024 22 圖 26 DC/DC 模組效率曲線 5.3 輔助源模塊 5.3.1 輔助模塊 3D 視圖 圖 27 輔助源模

38、組 3D 視圖 5.3.2 輔助源模組尺寸圖 OCTC BA032024 23 圖 28 輔助源模組尺寸規格 1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 9 圖 29 輔助源模組引腳定義頂部視圖 引腳定義從左往右：表 10 輔助源模組頂部視圖引腳定義 序號 名稱 序號 名稱 1+BULK 6 SVCC_12V_1 2 PVCC_12V 7 SVCC_12V_2 OCTC BA032024 24 3-BULK 8 VSB_12V_+4 PGND_BULK 9 VSB_12V_RTN 5 Reserved 圖 30 輔助源模組引腳定義底部視圖 引腳定義從右往左：表 11 輔助

39、源模組底部視圖引腳定義 序號 名稱 序號 名稱 1+BULK 6 SVCC_12V_1 2 PGND 7 SVCC_12V_2 3-BULK 8 VSB_12V_+4 PVCC_2 9 VSB_12V_RTN 5 Reserved 5.3.3 輔助源模組拓撲 反激式開關電源因其電氣隔離特性，小型化設計、成本經濟性和多路輸出能力，成為數據中心服務器電源中小功率多路輸出的輔助電源理想選擇。反激式拓撲作為輔助源方案的優勢如下：1）結構緊湊與成本效益：反激變換器利用一個變壓器同時實現能量傳輸和儲能功能，減少了獨立電感的使用，對于低功率輸出要求，更經濟高效。2）GaN在反激拓撲中的應用：在GaN器件的支

40、持下，反激變換器可以更容易實現準諧振等軟開關技術，大幅度提升開關損耗，提升反激拓撲的工作效率，提升功率密度。3）寬電壓適應性：反激變換器能夠適應寬范圍的輸入電壓變化，十分契合不同國家和地區應用的服務器電源使用場景。4）多路輸出能力：通過變壓器次級不同匝數比設計，反激變換器可以方便地為電源提供多路獨立的輔助電源輸出。5.3.4 輔助源模組技術特點 OCTC BA032024 25 輔助源高頻模組設計建議：1）建議使用高頻準諧振反激拓撲，控制頻率選擇100k-1M頻率。2）合理設計輔助電源交叉調整率。5.4 控制板模塊 5.4.1 控制模塊 3D 視圖 圖 31 控制板模組 3D 視圖 5.4.2

41、 控制模組尺寸圖 引腳定義從左往右：表 12 控制板模組頂部視圖引腳定義 序號 名稱 序號 名稱 1+12V sense 7 VSB_RTN 2 SCL 8 A1 3 SDA 9 ALERT 4 CR 10 INOK 5 A0 11 PWOK 6 PSON 12 ISHARE 引腳定義從左往右：表 13 控制板模組頂部視圖引腳定義 序號 名稱 序號 名稱 1 ORING_NTC 7 Reserved OCTC BA032024 26 2 VCC_FAN 8 SR_PWM_A 3 VCC_FAN_RTN 9 SR_NTC 4 Reserved 10 SR_PWM_B 5 VIN_OK_PRI 1

42、1 LLC_PWM_A 6 Reserved 12 LLC_PWM_B 6 Reserved 12 LLC_PWM_B 5.4.3 控制模組技術特點 控制模組方案優先考慮控制核心DSP的模組化實現不同主控方案的模塊兼容。針對器件無法模組化兼容的采用控制板的兼容，實現控制板接口及尺寸的標準化定義，不同控制方案間通過更換控制板兼容。6 電源整機性能 6.1 電氣性能 基于GaN的服務器電源效率規格可以從當前常用的鉑金/鈦金效率提升至鈦金+的能力，數據中心50%以上的運營成本為電能，服務器電源的效率提升可以為節能減排帶來可觀的收益。圖 32 模塊化設計 GaN 電源效率曲線 6.2 散熱性能 基于G

43、aN的服務器電源可以支持高達3200W/12V輸出，GaN器件在55 環溫條件下滿足降額要求，GaN溫升可以控制在120 以內。OCTC BA032024 27 圖 33 模塊化設計 GaN 電源散熱仿真數據 3.2kw GaN PSU 解決方案散熱仿真和實測對比:表 14 模塊化設計 3200W GaN 電源散熱測試數據 6.3 生產制造 在生產制造上，傳統的分立式變壓器體積大、結構復雜，PCB 需要與磁件和銅排 BUS 多次過爐焊接，形成分立模組與整機一起組裝。生產耗費大量人工工時，生產困難影響產出效率。隨著人工成本的提高，模組方案 SMD 貼片后只需進行一次粘磁芯動作，即可上線生產，生產

44、效率高，且磁件參數一致性好，可以提高生產效率、降低生產成本。表 15 模塊化設計電源自動化生產改善預估 OCTC BA032024 28 自動化生產率 傳統設計方案 基于 GaN 應用模塊化方案 磁器件生產 20%-50%80%-100%功率器件貼裝 40%80%100%電源整機 50%70%90%7 實測數據參考 7.1 LLC 工作波形 CH1 GaN GS 電壓 CH2 GaN DS 電壓 CH3 SR DS 電壓 CH4 諧振電流 圖 34 高頻 GaN LLC 工作波形 7.2 PFC 工作波形 CH1 GaN DS 電壓 CH2 GaN GS 電壓 CH3 輸入電流 CH4 Bulk 電壓 OCTC BA032024 29 圖 35 GaN PFC 工作波形