当前，多个关键趋势正在重塑电源与能源市场。首先是铜价的上涨，以及由人工智能数据中心的等各类应用的蓬勃发展所带来的电力需求激增。为应对这些问题，意法半导体工业电源与能源技术创新中心正聚焦于三大应用领域——电动汽车充电站、可再生能源，以及电源解决方案（重点是面向人工智能服务器的电源及备用电池单元（BBU））。

意法半导体为帮助客户攻克这些挑战，提供了两大核心技术方案：一是宽带隙功率器件，二是基于人工智能的数字控制器。这些技术能够实现更高效率、更低系统成本、更强系统性能与可靠性。此外，这场变革的核心是固态变压器。

随着人工智能（AI）技术的快速发展，AI服务器已成为支持高性能计算任务的核心基础设施。这些服务器需要为高功率GPU供电，因此与传统服务器相比，其供电单元（PSU）必须具备更高的效率、更高的功率密度和更强的可靠性。本文聚焦于意法半导体工业电源与能源技术创新中心开发的、采用宽带隙（WBG）技术的5.5kW ORv3 PSU，并探讨其技术特性、性能优势及在AI时代的应用价值。

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背景：AI服务器日益增长的功率需求

英伟达于2025年发布了Blackwell Ultra GPU。该系统需要配备5.5kW的单相A/C PSU。英伟达的Rubin GPU将于2026年面市，这款新GPU将消耗更多电力。此外，每个机架的GPU数量将从72块进一步增加到144块。这意味着电力与能源的需求大幅增加。2027年之后，英伟达将推出更先进的技术Rubin Ultra，该旗舰产品的功耗将再创新高，并且单个机架的GPU数量将进一步增加到576块。诸如5.5kW或12kW的单相A/C PSU已不足以满足该系统的需求。因此，高压直流供电系统已完成方案定义和产品开发，以支持其未来的AI服务器架构。

简而言之，英伟达的路线图告诉我们，要构建AI基础设施需要先进的电源转换技术来保障系统的平稳运行。

下图展示了新架构下的典型服务器机架，包括网络服务器、供电单元和计算服务器。与传统机架相比，有三个关键变化值得关注。

首先是输出电压：输出电压已从12V升级至48V或54V。随着兼容48V的GPU得到广泛应用，行业已逐步从传统的12V输出架构转向48V/54V，这已成为当前的主流规格。根据光宝科技发布的行业预测，在AI服务器应用持续扩张的驱动下，单个供电单元（PSU）的额定功率预计到2025年将增至5.5-8kW。

其次是额定功率：为了支持多块高功率GPU（例如，8块英伟达HGX H100，每块700W），AI服务器需要的功率是传统服务器的3至10倍。例如，华硕的ESC-N8-E11 AI服务器采用6个3000W的供电单元（4+2冗余配置）来满足超过20KW的功率需求，而诸如华硕RS700-E11-RS12U的传统计算服务器只需要2个1600W的供电单元（1+1冗余配置）。

第三是效率和功率密度：实现更高的效率和功率密度仍然是一个挑战。

这些新兴趋势凸显了WBG半导体和磁集成技术在满足未来效率和功率密度需求方面的关键作用。WBG材料（GaN和SiC）是实现此类性能飞跃的最佳解决方案，因为它们在转换效率和功率密度方面优于传统的硅器件。

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WBG技术：PSU创新的核心驱动力

宽带隙（WBG）技术（包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC））正在革新电力电子行业。OMDIA 2024年发布的报告显示，从2023年到2027年，AI服务器PSU对WBG器件的需求将以18%的年复合增长率（CAGR）增长。具体而言，SiC MOSFET和GaN晶体管正呈现快速增长态势，其中GaN的年复合增长率高达44%——这清晰地表明WBG器件在AI电源市场中日益占据主导地位。

与传统的硅器件相比，WBG器件提供了显著优势：更高的效率、更高的功率密度、更低的损耗以及更优的热管理。这些特性对于AI服务器至关重要，因为AI服务器不仅要求PSU在可变负载下高效运行，还需实现更小的体积和更低的功耗。

意法半导体（ST）提供全面的产品组合以支持PSU开发，包括硅和SiC MOSFET及二极管、GaN晶体管、IGBT、功率模块（例如ACEPACK、SLLIMM）、兼容SiC/GaN的隔离式栅极驱动器，以及各类控制器和传感器。这种全栈式解决方案可赋能专为AI应用设计的高性能PSU。

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5.5kW ORv3 AI服务器PSU的技术细节

3.1

拓扑结构

该5.5kW ORv3 PSU采用了先进的拓扑结构：交错图腾柱（TTP）PFC（功率因数校正）结合三相交错半桥（HB）LLC。这种拓扑结构专为满足AI服务器的高功率、高效率需求而设计。

交错TTP PFC可以轻松扩展至3路，以应对更高功率的应用，而磁集成技术则缩减了PSU的尺寸并降低了功率损耗，从而提高了功率密度和效率。三相交错LLC拓扑结构显著降低了电流纹波，有助于电流平衡，并通过专门的磁性元件设计尽可能缩减了电感器和变压器的尺寸。

3.2

关键规格

该5.5kW ORv3 PSU是一款全数字AC-DC电源，具备以下关键特性：

■ 输入AC电压：180-305VAC ■ 输入AC频率：47-63Hz ■ DC输出电压：48-50Vdc

■ 峰值效率： 97.5%@230，240，277Vac（30-100%负载）；96.5%@208Vac（30-100%负载）

■ 最低效率： 96.5%@230，240，277Vac（30-100%负载）；95.5%@208Vac（30-100%负载）；94%@208V~277V（10-30%负载）

■ 功率因数：>0.98@100%负载

■ iTHD：<5%@100%负载

■ 外形尺寸：73.5x640x40mm

■ 功率密度：高达50W/inch³ ■ 峰值浪涌电流：<30A

3.3

核心组件

该PSU利用意法半导体的高性能组件实现其卓越性能，包括：

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性能测试结果

4.1

PFC性能

下图是再230Vac和60Hz条件下的测试结果，该测试结果表明，该PSU在整个负载范围内都能保持高功率因数（PF），满载时PF值接近0.999。通过一种新颖的谐波注入控制策略，其iTHD性能得到增强，满足ORv3规范，并有效降低谐波失真。

4.2

LLC效率

下图给出了三相LLC变换器在不同负载条件下的效率曲线。变换器在40%～50%负载 附近效率达到峰值，为98.68% ；满载时效率仍保持在98%左右 。

4.3

整体解决方案效率

在230Vac电压下，该5.5kW ORv3 PSU在所有负载范围（10%至100%）内的效率均超过行业标准。其在满载时97.5%的峰值效率，以及即使在轻载（10-30%）下仍高于94%的稳定效率，证明了其相较于市场标准PSU的卓越性能。尤其值得一提的是，5%负载时的效率高达91%，能够满足Ruby的规格要求。

4.4

GaN与SiC性能对比

下图是意法半导体GaN与SiC MOSFET的对比结果，GaN在整个负载范围内都能实现更高的效率，峰值效率达到99.05%。此外，基于GaN的PSU依旧保持了较高PF（高达0.998）和低iTHD（3.1%至4.1%）性能，证实了WBG技术在改善电能质量和效率方面的优势。

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关键优势与系统级优点

该5.5kW ORv3 PSU凭借其先进的拓扑结构和WBG技术，提供了多项关键优势：

■ 适应性效率：混合模式控制 可以提高轻载和重载条件下的效率。通过采用滞后电流控制，可以在同一硬件平台上通过微小的软件修改实现TCM或CCM运行。 ■ 扩展性：双通道交错TTP PFC可以轻松扩展至三通道，以应对更高功率的应用需求。

■ 节省空间与成本：磁集成技术缩减了PSU的尺寸和功率损耗，提高了功率密度（高达50W/inch³），并降低了整体系统成本。

■ 符合ORv3规范：通过新颖的谐波注入控制策略 ，增强了iTHD性能，并满足ORv3规范要求。

■ 可靠性：三相交错LLC可以显著降低电流纹波 并有助于电流平衡。结合专门的磁性元件设计，它还能缩减 电感器和变压器的尺寸 。

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结论与未来展望

采用WBG技术的5.5kW ORv3 PSU是AI服务器电源领域的一项关键创新，满足了行业对高效率、高功率密度和可靠性的日益增长的需求。通过利用意法半导体全面的WBG产品组合和先进的电路拓扑，该PSU提供了卓越的性能，满足了现代AI服务器的严苛要求。

随着AI的持续扩展，以及英伟达路线图中提出的到2027年建成吉瓦级AI工厂的目标，对高功率、高效率PSU的需求只会加剧。WBG技术将继续作为PSU创新的核心驱动力，而意法半导体的5.5kW ORv3 PSU则为未来AI电源解决方案树立了标杆。展望未来，在元件集成、数字控制和热管理方面的进一步优化将继续推动PSU性能的突破，赋能下一代AI计算。

关于意法半导体电源解决方案的更多信息，请访问www.st.com。