伴随着AI的蓬勃发展，依托传统工作负载量所规划的数据中心基础构架正面临巨大压力，对电力的需求也高速成长，比如OpenAI的热门聊天机器人ChatGPT每天需响应约2亿个用户请求，这可能要消耗超过50万千瓦时的电力，而据Nature预计2023年数据中心的耗电量将达到3000TWhr，相当于全球能耗的10%，因此数据中心运营商亟需寻找高效的AI服务器电源解决方案，以减少电能制式转换过程中的损耗。

当下提升服务器电源效率，降低算力中心能耗的措施主要有两种，除了可以从设计层面出发，采用更高效率的 无桥图腾柱(Totem-Pole) PFC等更简洁的电路拓扑结构，来减少尺寸和元器件数量，减少信号路径上的损耗外，更重要的是需要从硬件层面出发，使用氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等可以在单位面积内可以承载更大的功率和能量的第三代宽禁带半导体材料替代传统硅基材料来制造开关电源，以实现在更高的电压和温度下工作，同时减少开关损耗。

传统硅基器件在服务器电源的应用弊端

在电力能源产业中，开关模式电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是十分重要的一类电源供应器，为各类用电设备所必须依赖的设备，其可以将一个固定位准的输入电压转化为电力使用端所需求的的电压或电流，并在电网与用电设备之间起到隔离、安全保护的作用。现如今，行业内电力电子技术主要依靠的硅基半导体器件，虽然件一直在不停地更新换代，但其在开关频率、功率损耗等各方面均已逼近该类功率器件物理上的极限，其开关频率一般不高于 400kHz，且随着额定电压的升高，其导通电阻阻值急剧增大，已不适用于着AI服务器等高性能计算设备对电源供应的需求。

几类类半导体材料的性能对比（来源：参考文献1）

氮化镓在服务器电源的应用

作为第三代宽禁带半导体材料器件的代表，GaN 器件相比于硅基器件具有更优异的性能和能耗表现，其禁带宽度为3.4eV，电气迁移率为2000cm² /V·s，漂移速度达2.5×107cm/s，击穿电场达 3.3 MV/cm，因此其可以在高电压（高达1,000 V）和高频率（高达10兆赫）应用中，依然可以保持紧凑的电路设计，同时降低导通电阻和开关损耗，从而进一步提升能源效率，目前氮化镓模块的电源效率普遍高达94%，与此同时，高饱和漂移速度和高击穿电场，也使得氮化镓可以支持更高的功率密度，当前市面上已有一部分氮化镓功率模块可以做到90W/in³以上的功率密度。

不过，热导率相对较低，为2.2W/cm·K，在超过4kW以上的功耗时，氮化镓的高传导损耗就已经对其散热设计提出巨大的挑战，因此从目前市面已有的氮化镓服务器电源来看，其主要面向最高3kW左右的数据中心供电，适用于LLC 谐振直流-直流(DC-DC)变换器开关电源等导通损耗为最主要的损耗的器件上。

碳化硅在服务器电源的应用

碳化硅与同样为第三代宽禁带半导体材料的氮化镓相比，其带隙宽度和击穿场强的差距并不大，分别为3.2eV和3.5MV/cm，这使得其本身需要更大的本征激发能量，因此器件也能够与氮化镓器件一样在高温下依然正常稳定工作，同时具有较低导通损耗，能够实现较高的电源效率，降低了开关损耗，提高了电流承载能力，并加快了开关速度。更值得一提的是，碳化硅热导率相比氮化镓还要更大一倍（4.5W/cm·K），具有更加优良的散热能力，可承受高达 200°C 的结温，在高功耗场景下也能实现散热器的小型化，提高集成度，可用于高压、大功率（600 V以上，1kW以上）应用，特别适用于超过4kW的大功率直流电源场合。

不过，碳化硅由于成本还未降低至与氮化镓或硅器件同一水平，目前在服务器电源上的应用主要还是在中大功率的模块化UPS上

2000V碳化硅MOSFET / 英飞凌

小结

氮化镓、碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的代表，都可用于制作开关电源，为AI数据中心服务器提供更高的电源效率，减少电力损耗。其中，氮化镓可在高电压（高达1,000 V）和高频率（高达10兆赫）下，保持高达94%的电源效率，在面向2-4kW的数据中心供电时占据成本优势。然而在超过4kW以上的功耗时，其较低的热导率限制了其使用，这个情况下，碳化硅则能够在满载时实现更高的电源效率。

参考文献：

1、吴存鑫.基于氮化镓的高效高密度开关电源研究[D].合肥工业大学.

2、黄天一,卞正达,徐长福,等.基于碳化硅器件的无线充电系统电源设计[J].电力工程技术.

3、曹宇翔,张潇,王少宁,等.碳化硅功率器件在宇航电源中的研究与应用[J].电子设计工程.

4、周凯扬，《服务器电源向10kW进发，三代半或是唯一出路》， 电子发烧友网.

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