高功率密度服務器電源模塊化設計白皮書（2024年）-開放計算標準工作委員會

OCTCBA03—2024開放計算標準工作委員會發(fā)布I 程，丁勇，陳安，馬文超，肖昌允，余品德，沈睿罡，1高功率密度服務器電源模塊化設計建領域提高能效的關鍵環(huán)節(jié)。隨著AI需求的增加，服務器功耗不斷增加，在散熱、功率密度、能效等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(fā)平臺，高效推動A主流的CR73-185（185mm*73.5mm*40mm）電源的尺寸規(guī)格進行參考設計和標準模塊化的產品形態(tài)定本白皮書適用于由功率因數(shù)矯正電路、DC/DC電路、輔助源電路、數(shù)字控制電路組成的服務器開2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入和研發(fā)成本控制也是現(xiàn)行產品規(guī)劃必須要考升級，為前端應用客戶提供高效、高質量的產品應用信CommonRedundantPoweAluminumGalliumNitriHigh-Electron-Mobility-TwoDimensionalEleMetal-Oxide-SemiconductorFi3ElectromagneticIntPowerfactorcorrecInductor-Inductor-capacitorSCubicFeetperMinute(airflo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(yōu)勢。電源產品應用GaN功率器件更1）GaN器件能夠突破傳統(tǒng)硅方案的頻率壁壘實現(xiàn)高頻化。高頻化設計帶來磁材尺寸減小、能效提2）集成驅動是GaN產品的發(fā)展趨勢，這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傳統(tǒng)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(jié)4HEMTGaN可以實現(xiàn)更高的電子遷移率，在標準晶元上導通阻抗能控制的更低。HEMTGaN采用GaN-on-Si工藝將實現(xiàn)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(tǒng)的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(tǒng)的SiMOS器件具備更低的柵極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(shù)帶來效率4）GaN器件的材料及結構特性讓器件本身不再有內部體二極管。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(xiàn)關斷控制的增強型GaN(E-mode)和通過內部級聯(lián)一個低壓增強型N溝道MOS的耗盡型GaN(D-m5E-MODE和D-MODEGaN各有利弊。D-MODE的最大優(yōu)勢是與Si-MOSFET驅動兼容，可以實現(xiàn)快型D-MODEGaN器件中的Si-MOSFET主要用于實現(xiàn)常態(tài)關斷，性能較傳統(tǒng)MOSFET有所提升，但并未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(shù)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(fā)揮GaN器件性能優(yōu)勢，伴隨著技術和可靠性迅1）集成驅動將是GaN功率器件的重要發(fā)展方向。離散驅動方式帶來較大的寄生電感，在高頻應用底部散熱、頂部散熱、雙面散熱、金屬封裝、裸die等各種方式提高散熱器件。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，廠目前GaN功率器件在服務器電源的應用主要是聚焦到傳統(tǒng)硅器件較難實現(xiàn)的2400W及以上高功率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(tǒng)的Si是基于傳統(tǒng)SiMOS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來的一些制程問題以3）關注電源溫度測試、動態(tài)特性測試，提前識別主流的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64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(fā)，該設計最大兼容雙模塊方案，標準模塊最大功率規(guī)格為1600W，雙模塊最大實現(xiàn)320集成式方案考慮將服務器電源的PFC、DC/DC兩個核心功率模分才需要較多板層，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7注1：CR73服務器電源模塊的寬度較適合雙模組化注2：不同規(guī)格尺寸服務器電源功率分段理念不4.1物理結構1）輸入?yún)^(qū)域可根據(jù)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(qū)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(guī)格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8變壓器及SR諧振電感變壓器及SR輸出濾波控制板Aux模組變壓器及SR諧振電感變壓器及SR輸出濾波控制板Aux模組 諧振電感變壓器及SR輸出濾波控制板Aux模組 諧振電感變壓器及SR輸出濾波控制板Aux模組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(qū)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EM4.2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(tài)下的9 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(lián)方案，模組并聯(lián)可分擔平面變壓 5模塊設計5.1PFC模組部分基于GaN應用的模塊化設計方案，PFC模組的3D視圖參考5.1.2PFC模組尺寸規(guī)格1VBulk_+8VBulk_-2VBulk_-93A_PFC_L4567VBulk_+131211109876543211VBulk_+8VBulk_-2VBulk_-93A_PFC_L4A_PFC_NTC567VBulk_+在圖騰柱PFC的拓撲架構中GaN器件能發(fā)揮產品特性優(yōu)勢。GaN器件沒有反向二極2）簡化散熱設計：GaN器件的低導通和開關損耗可以進一步降低損耗，因此散熱設計可以得到簡3）高功率密度提升：GaN優(yōu)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(xiàn)高功率密度的服務器電源?！?00%4）GaN器件的連續(xù)電流及瞬時電流規(guī)格應小于90%額定的影響在CCMPFC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(xiàn)更高頻化的設計通過導入TCM控制的圖騰柱PFC方案實現(xiàn)是主流設計方3）功率低于2000W建議4層layout足夠，功率超過2000W4）層數(shù)<=6層，建議PCB板材使用大于TG150板1）當需要1600W以上功率時，基于器件熱應力，輸入差模電流，Bulk電容紋波電流考量，建議采5.2DC/DC模組部分1425312345142NTC_LLC_A5311234567815263748887654321152637481）高效率：LLC轉換器可以實現(xiàn)零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）技術，極大地降低開2）寬負載范圍高效運行：LLC轉換器在較寬的負載范圍內都能保持較高的效率，這是由于其固有4）簡化設計與實現(xiàn)軟開關：相比傳統(tǒng)的硬開關拓撲，LLC轉換器無需復雜的驅動電路就能實現(xiàn)軟5）良好的穩(wěn)定性：LLC轉換器的輸出電壓穩(wěn)定性和6）更高的功率密度：得益于高效率和軟開關帶來的低損耗優(yōu)勢，LLC轉換器可以結合GaN的開關270uf+0.1uf載變±5%4）GaN器件的連續(xù)電流及瞬時電流規(guī)格應小于90%額定值,滿5）GaN器件應該用結溫應控制在最大結溫-25℃,至少具備120%負載過載能力。3）層數(shù)>6層，建議PCB板材使用大于T50%負載效率大于等于98%@410Vdc(包5.3輔助源模塊5.3.2輔助源模組尺寸圖1627384951627384PVCC_2955.3.3輔助源模組拓撲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(yōu)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(xiàn)能量傳2）GaN在反激拓撲中的應用：在GaN器件的支持下，反激變換器可以更容易實現(xiàn)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(qū)應用的4）多路輸出能力：通過變壓器次級不同匝數(shù)比設計，反激變換器可以方便地為電源提供多路獨立5.3.4輔助源模組技術特點5.4控制板模塊17VSB_RTN2839ALERT456表13控制板模組頂部視圖引腳定4.3