高功率密度服務(wù)器電源模塊化設(shè)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(wù)器電源模塊化設(shè)計建領(lǐng)域提高能效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著AI需求的增加，服務(wù)器功耗不斷增加，在散熱、功率密度、能效等新產(chǎn)品化等進行綜合考量，旨在攜手建立服務(wù)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(shè)計和標準模塊化的產(chǎn)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(wù)器開2導(dǎo)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(chǎn)品規(guī)劃必須要考升級，為前端應(yīng)用客戶提供高效、高質(zhì)量的產(chǎn)品應(yīng)用信CommonRedundantPoweAluminumGalliumNitriHigh-Electron-Mobility-TwoDimensionalEleMetal-Oxide-SemiconductorFi3ElectromagneticIntPowerfactorcorrecInductor-Inductor-capacitorSCubicFeetperMinute(airflo和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)在服務(wù)器電源應(yīng)用中具有顯著的性能優(yōu)勢。電源產(chǎn)品應(yīng)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(shè)計帶來磁材尺寸減小、能效提2）集成驅(qū)動是GaN產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，這3）GaN器件的產(chǎn)品成本在逐漸降低。此外基于GaN器件應(yīng)用的高能效產(chǎn)品帶來的整體供電成本的傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體通過改變漏源級之間的半導(dǎo)體導(dǎo)通特性，HEMT型GaN功率器件利用了GaN和AlGaN混合材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的高電子遷移率平面層（2DEG層）構(gòu)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(dǎo)電，通過調(diào)節(jié)4HEMTGaN可以實現(xiàn)更高的電子遷移率，在標準晶元上導(dǎo)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(yīng)管，除此外由于沒有傳統(tǒng)的GaN器件的結(jié)構(gòu)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(dǎo)通的開關(guān)速率，有利于提升開關(guān)頻率、降低開關(guān)損耗。3）GaN器件的材料及結(jié)構(gòu)特性能降低器件的導(dǎo)通阻抗參數(shù)帶來效率4）GaN器件的材料及結(jié)構(gòu)特性讓器件本身不再有內(nèi)部體二極管。GaN是通過2DEG層高濃度電子通道導(dǎo)電，因此不存在硅MOSFET體二極管反向恢復(fù)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(guān)斷控制的增強型GaN(E-mode)和通過內(nèi)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(qū)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(guān)斷，性能較傳統(tǒng)MOSFET有所提升，但并未E-Mode器件由于柵極驅(qū)動閾值較低，高頻開關(guān)時對電路寄生參數(shù)非常敏感，驅(qū)動電路相對復(fù)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(shù)和可靠性迅1）集成驅(qū)動將是GaN功率器件的重要發(fā)展方向。離散驅(qū)動方式帶來較大的寄生電感，在高頻應(yīng)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(yīng)用的日益廣泛，廠目前GaN功率器件在服務(wù)器電源的應(yīng)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(dǎo)體器件的快開關(guān)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(dǎo)體產(chǎn)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(wù)器電源設(shè)計的關(guān)鍵功率器件部分的驅(qū)動設(shè)計是否可靠，驅(qū)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(shè)計是否存在風(fēng)險，制程上針對新的封裝設(shè)計以及選擇要充分驗證，避免新的封裝導(dǎo)入帶來的一些制程問題以3）關(guān)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(shè)計方案的探究，該方案架構(gòu)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(shè)計，服務(wù)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(wù)器電源為例基于目前主流極限功率3200W進行設(shè)計方案開發(fā)，該設(shè)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(wù)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(dǎo)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(wù)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(wù)器電源功率分段理念不4.1物理結(jié)構(gòu)1）輸入?yún)^(qū)域可根據(jù)PSU設(shè)計要求，自行調(diào)整保險絲、EMI組件、浪涌控制相關(guān)線路布局，建議盡量考慮自動化生產(chǎn)也進行相關(guān)模組化設(shè)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(shè)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(gòu)按圖9為基于GaN應(yīng)用模塊化方案電源的拓撲架構(gòu)圖，深色拓撲部分為低功率單模塊設(shè)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(shè)計5.1PFC模組部分基于GaN應(yīng)用的模塊化設(shè)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(gòu)中GaN器件能發(fā)揮產(chǎn)品特性優(yōu)勢。GaN器件沒有反向二極2）簡化散熱設(shè)計：GaN器件的低導(dǎo)通和開關(guān)損耗可以進一步降低損耗，因此散熱設(shè)計可以得到簡3）高功率密度提升：GaN優(yōu)異的開關(guān)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(shè)計得更小，有利于實現(xiàn)高功率密度的服務(wù)器電源?！?00%4）GaN器件的連續(xù)電流及瞬時電流規(guī)格應(yīng)小于90%額定的影響在CCMPFC硬開關(guān)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(shè)計通過導(dǎo)入TCM控制的圖騰柱PFC方案實現(xiàn)是主流設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，極大地降低開2）寬負載范圍高效運行：LLC轉(zhuǎn)換器在較寬的負載范圍內(nèi)都能保持較高的效率，這是由于其固有4）簡化設(shè)計與實現(xiàn)軟開關(guān)：相比傳統(tǒng)的硬開關(guān)拓撲，LLC轉(zhuǎn)換器無需復(fù)雜的驅(qū)動電路就能實現(xiàn)軟5）良好的穩(wěn)定性：LLC轉(zhuǎn)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(guān)帶來的低損耗優(yōu)勢，LLC轉(zhuǎn)換器可以結(jié)合GaN的開關(guān)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(yīng)小于90%額定值,滿5）GaN器件應(yīng)該用結(jié)溫應(yīng)控制在最大結(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(guān)技術(shù)，大幅度提升開關(guān)損耗，提升反激拓撲的工作效率，提升功3）寬電壓適應(yīng)性：反激變換器能夠適應(yīng)寬范圍的輸入電壓變化，十分契合不同國家和地區(qū)應(yīng)用的4）多路輸出能力：通過變壓器次級不同匝數(shù)比設(shè)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(shù)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