人工智能的崛起导致数据中心的电力需求大幅增长，预计 AI 服务器机架的功率水平将达到兆瓦级。相应地，服务器机架架构将演变为分离的 IT 机架和侧挂式电源机架，如下图 1 所示。

这种分离使得侧挂式电源机架中的 PSU 能够将其功率提升至远超 IT 侧挂式机架耐受能力的范围，在采用三相交流输入和高压直流输出的情况下，甚至可达到 30 千瓦。

图1

由于 PSU 的输入电压进入三相领域，其拓扑结构自然也需相应改变。T 型 Vienna 整流器是工业应用中众所周知的三相整流器拓扑(下文图 2 右图)，也可用于这些 PSU。在 T 型 Vienna 整流器中，A-An 和 B-Bn 分别在交流电的正半周和负半周以高开关频率进行调制。

因此，PFC 扼流圈开关节点上会施加一个具有开关频率分量的三电平电压(直流正极 / 0V / 直流负极)。为此，需要 1200V 的开关管将开关节点连接到直流母线，而背对背开关管的实现则需要 650V 的器件。

然而，在寻求更高功率 PSU 的过程中，AI 服务器 PSU 中三相整流器的一个新兴替代方案是五电平有源中性点钳位 PFC，其关键优势在于效率和功率密度。图 2(左图)展示了 5LANPC 拓扑结构，其中直流侧(正极/负极)的堆叠器件根据交流极性进行开关操作。

图2

5LANPC 中飞电容的移相作用使得交流侧的 PWM 控制与单相三电平飞电容 PFC 类似，实现了 180 度反相的 PWM(A-An 与 B-Bn 相比)。因此，该拓扑结构所需的所有器件额定电压均为 650V。此外，开关节点电压是每个直流电容电压的一半，而开关频率则加倍。

因此，PFC 扼流圈的伏秒积是 T 型 Vienna PFC 的四分之一。由此带来的尺寸减小以及预期的性能提升，使得 5LANPC 成为 AI PSU 的极佳拓扑，这可以通过 REF_18KW_HFHD_3P_PSU 进行评估。5LANPC 扼流圈中的飞电容调制还能降低纹波，从而减少差模 EMI 滤波的工作量。

5LANPC 与 T 型 Vienna 的扼流圈和 EMI 元件尺寸比较

下图 3(上图)展示了 5LANPC 在输入 398V 线电压交流、±445V 直流、开关频率 35kHz 和输出功率 18kW 条件下的 PFC 扼流圈电流和纹波。该扼流圈采用 2 个 CH270060GT 磁芯，绕制 28 匝，使用 AWG14 导线。此特定设计作为与 T 型转换器比较的基础。

图3

飞电容转换器的移相调制具有纹波降低效应，并使电感中的开关频率加倍，从而产生约 8A 的最大电流纹波，供差模 EMI 设计参考。

如果将该扼流圈用于开关频率为 70kHz(电感频率相同)的 T 型 Vienna 拓扑，该拓扑更高的伏秒积会显著增加电感电流纹波以及磁芯损耗，从而损害性能，下文将详述。由此产生的最大电流纹波，如下图 3(中图)所示，会大幅增加差模 EMI 的工作量，这直接导致需要更多电容或杂散电感，从而增加尺寸。

为了在 T 型转换器中减少电感纹波并保持与 5LANPC 相近的 EMI 滤波器尺寸，设计上需增加 PFC 扼流圈的电感量。下图 3(底图)显示了在 T 型设计中使用双倍数量磁芯时的电流纹波，以及相应的 PFC 扼流圈体积增加。

因此，相较于 T 型 Vienna，5LANPC 更低的伏秒积以及纹波抵消效应在尺寸方面提供了巨大优势——更小的 PFC 扼流圈，同时减轻了差模 EMI 滤波的负担。节省出的尺寸可用于增加更多的母线电容或实现新的冷却方案(如液冷)。

5LANPC 与 T 型 Vienna 性能比较

使用前述的 PFC 扼流圈设计，并考虑不同器件中 10 mΩ 的导通电阻(仅在 5LANPC 的低频 mosfet 中考虑并联器件)，对三种不同方案的效率进行了估算(图 4)。5LANPC 的性能明显优于 T 型 Vienna 设计，后者无论是由于 PFC 扼流圈还是 EMI 滤波器，预期体积也更大。

图 4 还展示了三种设计方案在 18kW 运行(100% 负载)下的损耗分布。可以看出，电感损耗是 T 型 Vienna 设计的主要贡献因素。这要么是因为磁芯损耗相当高，要么是因为在试图降低磁芯损耗时导致绕组损耗增加。

图4

这种趋势在更高功率的设计中预计也会出现，在 5LANPC 中可能仍能使用单个扼流圈。然而，T 型 Vienna 整流器可能会从交错并联的纹波抵消效应以及损耗和扼流圈的分担中受益。尽管如此，在交错并联方案中，扼流圈的损耗和尺寸也是需要考虑的问题。

5LANPC 控制框图

5LANPC 的另一个优点是，其大部分控制实现与 T 型 Vienna PFC 通用，这降低了重新设计的复杂性。图 5 显示了 5LANPC 的 DQ 控制框图。图中蓝色模块为两种拓扑通用。除了 PWM 调制，主要区别在于需要飞电容控制环路，如图 5 中橙色部分所示。

图5

总结

AI 进步及其应用的速度将直接取决于数据中心及其供电基础设施的相应增长速度。因此，对于这些关键系统的硬件设计人员而言，5LANPC 多电平转换器在性能和尺寸上均具有优势，这使得该拓扑对于将效率和功率密度作为关键设计参数的 AI 服务器 PSU 极具吸引力。