面對目前人工智慧的快速發展，我們對高功率的需求也持續攀升，這對功率轉換的效率提出了更嚴苛的需求。本集節目，我們邀請了英飛凌專家Gerald Deboy詳細解析功率轉換的不同階段，剖析矽、碳化矽和氮化鎵在數據中心的理想應用，並分享英飛凌的前沿創新解決方案。

• 交直流轉換器（AC/DC）：先通過AC轉DC轉換器將230~277伏的交流電轉換為48伏直流電，接下來，這48伏的直流電會送到機架的背板上，每個主機板都由對應的直流電供電。未來，這一交流電壓可能會進一步提升至347伏，優化轉換效率。現階段此轉換效率已超過97%。

• 中間總線轉換器：此階段的轉換效率已經達到了98%，其原理是將48伏特的直流電進一步降至12伏特的中間電壓，預計未來會進一步降至6~8伏，以適應更高效的功率轉換。

• 負載點轉換器（POL）：它一般工作在12伏，以0.7伏特的典型輸出電壓直接給處理器供電。這一步驟的轉換效率通常達到90%左右，就目前看來，這是提升整體效率的關鍵環節。通過降低中間匯流排電壓，並將負載點轉換器盡量靠近處理器，例如安裝在處理器背面，調整架構設計以實現整體效率的提高。在此之中，也需要權衡配電過程中的損耗，綜合考慮負載實際功率。

其中，備用電池單元也發揮了關鍵作用，它可以在交流電中斷時提供電力，銜接啟動發電機的空擋。

當前，數據中心發展的基本趨勢是：大幅提升單機架的功率等級。隨著人工智慧的快速發展，數據中心的功率需求也不斷攀升──從過去每機架30千瓦的用電量，躍升到如今的100千瓦甚至更高。面對如此複雜的功率需求，不僅需要更好的半導體元件，還需要創新的拓撲結構和控制演算法，以實現在有限的空間內傳輸大量電力，同時在此過程中保持極高的傳輸效率。為此，英飛凌通過以下創新解決方案協助數據中心「減負提效」：

| 寬能隙半導體

使用碳化矽、氮化鎵和矽相結合的功率元件，是應對交流電轉直流電轉換挑戰的理想選擇。例如在交流轉直流電源中，可以使用圖騰柱拓撲，在快速開關臂中使用碳化矽，而在慢速臂中使用超結矽。在400V到48V的直流轉換器中可以使用氮化鎵，將400V直流轉換為48V直流。而在48V匯流排上同樣可以使用氮化鎵進行同步整流。

實際上，英飛凌的產品線已經全面涵蓋了交流轉直流電源領域，提供的產品不僅限於碳化矽和氮化鎵元件，還會根據市場需求推薦最合適的產品組合。

| 備用電池“削峰填谷”

傳統備用電池通常處於待命狀態，僅在停電時作為緊急電源使用，導致其使用率較低。然而，最新的開放計算OCP 3.0規範中允許備用電池不僅待命，還能在負載高峰時，如AI訓練期間GPU功率激增時，輔助交流轉直流電源供應器，實現「削峰填谷」。這顯著提高了電池的使用率。

隨著使用頻率的增加，電池的電源效率變得至關重要。部分功率轉換器提供了一種更有高效的解決方案，它直接利用電池電壓，僅需微調即可穩定輸出48伏，大幅減少了處理的電力量，例如僅需調節三分之一的電力。此種方法成本效益顯著，因為轉換器尺寸小，其效率非常高，最高峰值效率可達99.5%，整體效率也超過99%。此外，這種緊湊的設計佔用空間少於傳統全功率後備電池單元轉換器，優化了整體空間。

| 中間總線電壓優化

當前數據中心普遍採用12伏特電壓系統，但面對主機板等級的高功率需求，特別是達到4千瓦以上時，48伏特生態系統更具優勢。英飛凌的解決方案能將48伏電壓轉換至12伏，以滿足負載點階段的需求。對於高性能處理器，如用於AI訓練的GPU，在幾納秒內就能從待機狀態切換到全功率運行，要求負載點開關具備快速響應和高頻開關能力。為了適應這種高頻開關需求，可選擇降低負載點的輸入電壓。在600到800千赫的頻率下，電壓為12伏特；但要達到兆赫茲以上，理想電壓範圍應為6到8伏特。因此，48伏至6到8伏的轉換變得尤為重要。在使用開關電容轉換器的情況下，通過特定的拓撲結構可實現這一點，這正是英飛凌目前在推廣並引入市場的專有技術。

| 垂直供電解決方案

面對人工智慧發展帶來的現代處理器功耗大幅增加的挑戰，目前最先進的方法是採用分立元件解決方案，即在主機板上安裝多相降壓轉換器。然而，由於主機板空間有限，同時需要集成數位資訊傳輸和I/O線路，轉換器被設計在主機板頂部，環繞處理器佈局。這種佈局在負載電流超過一千安培時會達到極限，因為此時主機板內的電力損耗會非常高，導致解決方案失效。為了克服這個問題，英飛凌提出了垂直供電解決方案，通過從主機板背面直接供電至處理器，大幅減少電力損耗，同時結合集成電感器和先進冷卻設計，提升整體系統緊湊性和效率。