首先学习ST全新高功率AI服务器电源设计

1 《ST全新高功率AI服务器电源设计》，聚焦于AI时代下服务器电源面临的全新挑战，详细介绍了ST针对5.5kW高功率AI服务器电源的完整解决方案。 通过交错式图腾柱PFC（TTP PFC）拓扑结合混合TCM/CCM控制策略， 可以在宽负载范围内实现99.12%的峰值效率，同时满足高功率密度、低THD的设计目标。

具体的挑战有：

功率等级跃升，单PSU功率从传统1-2kW跃升至5.5-8kW，AI服务器功耗是传统服务器的3-10倍

拓扑革新，图腾柱无桥PFC+三相LLC成为高功率服务器电源的主流架构

控制创新，混合TCM/CCM模式切换兼顾轻载与重载效率，突破单一控制的局限性

2 AI服务器电源需求背景

2.1 功耗激增的行业趋势

AI正在重塑整个数据中心格局。随着大模型训练和推理对计算能力的需求呈指数级增长， 直接推动数据中心规模和能源需求迅速攀升。据资料预测，至2030年整体用电量将增加160% 。

为了支撑GPU的高性能计算，AI服务器所需功率是传统服务器的3-10倍 。 以华硕的服务器产品线为例：

• 传统服务器（RS700-E11）：2×1600W PSU，1+1冗余
• AI服务器（ESC-N8-E11）：8×3000W PSU，4+2冗余，搭载NVIDIA HGX H100（700W×8）

2.2 电源架构的转变

GPU供电电压的变化是另一个重要趋势。支持48V供电的GPU已将PSU输出从传统的12V转向48V/54V ， 并逐渐成为市场主流。这一转变大幅降低了传输电流，提高了供电效率。

业内普遍倡导到2025年将单PSU功率提升至5.5-8kW ，以满足AI服务器的供电需求。 在此背景下，GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅）等宽禁带器件成为提升电源效率的最佳选择。

3 5.5kW电源拓扑架构设计

3.1 总体方案概览

ST提出的5.5kW AI服务器电源方案采用全数字AC-DC电源架构， 前级为交错式混合模式图腾柱PFC （效率η≥99.2%）， 后级为三相LLC （效率η≥99.0%）。

3.2 关键技术规格

最大输出功率5.5 kW

输入电压范围180-305 VAC

输出电压48-50 V

峰值效率99.12%

3.3 功率器件选型

ST方案中使用的关键半导体器件选型如下：

功能模块	ST器件型号	耐压	封装
PFC 高频臂	SCT4067DEG3	650V	TOLL
PFC 低频臂	Si MOS	650V	TOLL
PFC 驱动	STGAP2SICS	—	SO-8
DC-DC SiC FET	SCT3080ALG3	650V	TOLL
DC-DC 驱动	STGAP2S	—	SO-8

除了5.5kW方案外，ST还提供8kW 更高功率的方案，峰值效率可达97.5%，功率密度提升至62 Win³， 外形尺寸为73.5 × 720 × 40 mm。

4图腾柱PFC架构详解

4.1 为什么选择图腾柱PFC

图腾柱无桥PFC（Totem Pole Bridgeless PFC）是当前高功率服务器电源最热门的拓扑， 相比传统Boost PFC具有显著优势：

效率更高 ：无桥架构减少了二极管导通损耗，配合同步整流进一步提升效率

器件更少 ：相比传统桥堆+Boost结构，减少了功率器件数量

双向功率流 ：天然支持双向功率传输，适配未来V2G等应用场景

图腾柱PFC在CCM模式下必须使用宽禁带器件（SiC/GaN）， 因为传统Si MOSFET的体二极管反向恢复问题无法满足硬开关工作。这也是SiC器件在该拓扑中不可或缺的原因。

STM32G474 实现交错 TTP PFC、混合 TCM/CCM 迟滞电流控制的大功率 AI 服务器电源方案，

• 迟滞电流控制（Hysteresis current control）是方案核心亮点

方案采用迟滞电流内环控制，相比传统平均电流模式 PFC 拥有独特优势：

动态性能优异：逐周期控制，响应速度快；在 CCM、TCM、谐振模式下无需斜坡补偿，模式切换非常灵活，可以平滑完成 CCM↔TCM 的过渡，为混合模式运行打下基础。

存在固有挑战：开关频率不固定；电流过零点、迟滞阈值区间较小时开关频率会显著抬升，给 EMI 设计带来挑战，也是硬件设计中需要重点优化的点。

数字化落地依托 STM32G474 芯片外设实现：利用片内 DAC + 高速比较器搭建迟滞控制回路，搭配 HRTIM 高分辨率定时器输出高频驱动信号，配合查表实现 ZVS 死区、电流阈值动态调节，完整用一颗 MCU 实现复杂多模式控制，展现了高性能数字电源控制器的价值。

• 混合 TCM/CCM 控制，兼顾轻载与满载效率

这套方案最关键的创新是混合模式（Mixed-mode）运行策略：

轻载（输出功率低于 2.7kW）：运行 TCM 模式，实现 ZVS 软开关，大幅降低开关损耗，提升轻载效率；

重载（输出功率高于 2.7kW）：切换至 CCM 连续导通模式，减小电感电流纹波，降低导通损耗。

整套方案硬件保持不变，仅依靠软件算法完成模式切换。实测性能充分验证该思路优势：

输入 208~277Vac 宽电压范围，峰值效率突破 99%，满载效率高于 98.4%；满载 PF＞0.967，5.5kW 满负载下 iTHD＜5%，完全满足 ORV3 服务器电源规范。

-电感电流采样方案

迟滞控制需要采集完整电感瞬时电流，要求电流传感器双向测量、高带宽、电气隔离、低损耗、快速响应。

方案采用电流互感器 CT + 霍尔传感器复合采样方案：CT 采集高频交流纹波分量，霍尔传感器采集直流平均分量，两者信号融合还原完整电感电流。同时 ST 也在评估 1.5MHz 高带宽霍尔传感器，未来有望简化采样电路，这给大功率双向电感电流检测提供了重要参考思路。

5 硬件平台与工程落地启发

功率器件选型：采用第三代 SiC MOSFET 搭建高频桥臂，搭配超结 MOS 管低频桥臂，依托 SiC 优异开关特性实现 50~180kHz 高频工作，提升功率密度，整机实现 50W/in³ 功率密度；

控制架构分层：外环电压环 1kHz 慢速调节，内环迟滞电流环 40kHz 快速控制，配合输入 / 输出前馈抑制电压波动，分层控制思路清晰，适合大功率数字 PFC 环路设计；

模块化硬件设计：方案拆分为功率电感板、高频功率板、低频功率板、控制板、计量板模块化架构，便于调试、维护与产品迭代。

6思考与后续学习方向

待攻克难点：迟滞控制变频特性会增加 EMI 调试难度，后续需要深入学习变频开关电源 EMI 抑制方法；TCM/CCM 模式切换的平滑过渡逻辑，需要重点研究，避免切换瞬间产生电流冲击。

技术延伸：视频提到 ST 同时推出 5.5kW、8kW 两套 AI 服务器 PFC 参考设计套件。后续可以对比不同功率等级方案差异，研究功率提升后器件应力、散热、采样系统的设计边界。

工程转化：数字电源不只是理论算法，还要结合 MCU 外设资源、采样噪声、环路延时、保护逻辑综合设计。

总结

面向 AI 服务器的新一代大功率 PFC，不能简单依靠单一拓扑、单一工作模式。混合 TCM/CCM 迟滞电流控制，融合软开关优势与重载低纹波优势，是平衡全负载效率、谐波指标、功率密度的优质路线。ST 这套完整软硬件参考方案，从拓扑、控制算法、电流采样、数字化实现到实测验证形成闭环，为大功率数字 PFC 开发提供了非常宝贵的工程范例.