超大规模企业正转向固态变压器(SST)，以提升AI数据中心的计算性能并最大化收益。AI数据中心日益被描述为在推理过程中生产“令牌”(Token)的工厂，这里的令牌代表计算输出。AI工厂生成令牌的吞吐量受限于可用电力，并直接与其收入潜力挂钩。

最大化从电网到芯片的效率

与存储、网络和边缘计算工作负载不同，AI和现代高性能计算(HPC)工作负载的电力需求持续呈指数级增长。随着GPU功耗和同步GPU数量的增加，计算机架的功率将从几十千瓦迅速增长到几百千瓦，并最终达到1-2兆瓦。

计算输出受限于有限的可用电力。最大化从电网到GPU的效率不仅能降低基础设施和运营成本，同样重要的是，它能最大化计算功率容量，从而带来更高的运营收入。

令牌生产吞吐量以每兆瓦每秒令牌数(TPS/MW)衡量，相关指标还有每瓦特令牌数(TPW)，后者衡量令牌级别的效率。这两个指标都将令牌生成直接与功耗挂钩。TPS/MW用于设施容量规划，而TPW则驱动硬件和系统级优化。

800V AI数据 center 架构的部署旨在最大化可用于令牌生成的功率。其目标是最大限度减少从公用电网输入到低于1V的GPU供电整个设施中，配电和转换阶段的损耗。

图1

应对低压变压器供应瓶颈与低效问题

全球AI数据中心的建设正急剧拉动对低压(LF)变压器的需求。目前，交货时间已接近5年，而近年来为18-24个月。低压变压器的产量无法跟上AI数据中心的需求。今年计划建设的美国数据中心中，近一半因设备短缺而被推迟或取消。除了供应限制，图1a中基于低压变压器的系统级解决方案还存在效率低、功率密度低、电能质量不佳以及缺乏支持电网调节能力等问题。

中压(MV)交流分类下的最大电压因标准而异，IEEE/ANSI标准下为35kV，IEC标准下最高为72.5kV。在800V配电架构的初始部署中，34.5kV的市电输入到一个低压变压器，将电压降至另一个中压交流级别(如13.8kV)，然后再通过第二个低压变压器产生低压(LV)交流电(如480V)。低压交流电供给一个三相整流器和DC/DC转换器，输出稳压的800V直流电。后续部署将过渡到基于固态变压器的架构。

固态变压器

在AI数据中心的背景下，固态变压器是一种电力电子系统，可将中压交流电转换为低压直流电压(如800V或±400V)。市电和稳压输出通过中频变压器(MFT)实现电气隔离。固态变压器可具备双向功率流动能力以维持电网稳定。在数据中心之外，例如在微电网中，固态变压器可用于以不同线路频率生成更高或更低电压的稳压交流输出，也可实现为多端口系统。

随着AI数据中心扩展到数百兆瓦甚至更大规模，设施内电力设备的体积功率密度成为一个日益关键的设计约束。为计算机架附近的电源机架提供三相电源的交流配电架构，将被800V或±400V直流配电架构取代。这将为计算设备腾出宝贵的地面空间。

数据中心内部使用的干式低压变压器典型功率密度为200kW/m³，而适用于室外环境的油浸式低压变压器因油箱和冷却散热器提供了有效的热管理，其功率密度更高，为450kW/m³。三相6脉波和12脉波整流器的功率密度通常为600kW/m³。

DC/DC转换器的典型功率密度为400kW/m³。对于图1a中的解决方案，一个3.5MW系统的总体积为40m³，功率密度为88kW/m³。不包括34.5kV低压变压器，13.8kV低压变压器、整流器和DC/DC转换器的体积为32m³，功率密度为109kW/m³。该架构的功率密度进一步改进空间有限。

目前13.8kV固态变压器的功率密度约为100kW/m³。与基于低压变压器-整流器的解决方案(其功率密度提升已基本停滞)不同，固态变压器是一项新兴技术，行业领导者预计其未来功率密度目标可达1MW/m³。

图2

从三相交流配电过渡到800V直流配电本身就能带来5%或更高的效率提升，随着架构从基于整流器向基于固态变压器部署的转变，效率还将进一步提高。据估计，图1a中基于整流器的800V直流架构可实现约95%的电网至800V效率。图1b中基于13.8kV固态变压器的架构预计可达到97-98%，而图1c中的34.5kV固态变压器则有望达到98-99%的效率。

固态变压器架构

图2所示的级联H桥(CHB)是固态变压器设计中采用的主要架构。三相中的每一相CHB都由采用输入串联输出并联(ISOP)配置的单元组成。前端串联连接使用的器件，其阻断电压额定值低于所施加的相电压。CHB单元的尺寸设计需确保其各自电压额定值之和超过峰值相电压并留有余量。

在采用N+2冗余设计的固态变压器中，一个13.8kV的固态变压器每相可能有14个级联单元，每个单元使用1200V SIC mosfet来阻断8kV的相电压。单元的次级侧并联连接，以提供大电流、稳压的800V输出。一个每相14个单元(总共42个)、每个单元额定功率40kW的N+2固态变压器，其额定功率可达1.4MW，最大连续输出电流为1800A。

为了获得更高的电压裕度并减少系统中的级联单元数量，趋势是使用具有更高电压额定值(如1700V器件)的SiC MOSFET。这将每相单元数量减少到十个。

矩阵变换器是CHB的一个有前景的替代方案。矩阵变换器已在学术界得到广泛研究，而SiC技术的进步正使其能够在功率密度和效率至关重要的高功率固态变压器应用中得到采用。尽管开发稳健的矩阵变换器存在若干挑战，但其关键优势之一在于无需直流母线电容器或电感器等储能元件，从而提高了可靠性。

矩阵变换器的开关设计与级联H桥不同。CHB在每个开关位置使用一个或多个(单向)MOSFET(并联连接以获得更高电流能力)。而在矩阵变换器中，开关必须作为四象限开关运行，即必须能够阻断双极性电压并双向传导电流。

这通过将SiC MOSFET以共漏极或共源极的方式反串联连接来实现。在低压低功率应用中，采用共漏极连接的700V或1200V MOSFET可共同封装在分立式表面贴装封装中。这种配置需要为两个MOSFET分别配备隔离式栅极驱动器。考虑到固态变压器的高阻断电压及其爬电距离和电气间隙要求，分立式表面贴装封装通常不是理想的解决方案。

Microchip HV-D3 mSiC® 模块

Microchip的HV-D3系列3.3kV SiC功率模块为基于CHB和矩阵变换器的固态变压器架构提供了解决方案。图3中的HV-D3模块既有采用两个单向串联开关的半桥配置，也有采用共源极连接构成单个双向开关的配置。与共漏极配置相比，共源极配置的一个优势在于每个双向开关只需一个隔离式栅极驱动器，进一步降低了系统复杂性。这是因为MOSFET的栅极和源极端子属于同一隔离区域。

图3

HV-D3模块符合工业标准的62mm封装尺寸，但具有更高的电压隔离能力。在中压固态变压器应用中，功率模块必须能够承受高压瞬变，同时保持安全隔离。虽然4kV隔离电压是该封装类型的行业标准，但HV-D3的隔离电压额定值为6kV，并被归类为材料组别1，相对漏电起痕指数(CTI)≥600V。端子到端子以及端子到基板的爬电距离分别为23mm和28.3mm。

3.3kV HV-D3 SiC功率模块的设计解决了开发高压转换器(包括固态变压器)时遇到的实际挑战。其性能特性和拓扑选项使基于CHB或矩阵变换器的固态变压器设计人员能够满足具有挑战性的中压应用要求。