英偉達(dá) (NVIDIA) GPU 供電系統(tǒng) DC/DC 架構(gòu)深度研究與 SiC MOSFET 應(yīng)用價(jià)值分析報(bào)告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

隨著生成式人工智能（Generative AI）和大語言模型（LLM）的爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的算力革命。以 Nvidia H100 和 Blackwell GB200 為代表的新一代 AI 加速器，不僅重新定義了計(jì)算性能的邊界，也對(duì)底層供電網(wǎng)絡(luò)（Power Delivery Network, PDN）提出了嚴(yán)苛的物理挑戰(zhàn)。單機(jī)柜功率密度從傳統(tǒng)的 10-20kW 激增至 120kW 甚至更高，迫使行業(yè)從傳統(tǒng)的 12V 配電架構(gòu)向 48V/54V 高壓高密度架構(gòu)轉(zhuǎn)型。

傾佳電子對(duì) Nvidia GPU 供電系統(tǒng)的 DC/DC 架構(gòu)進(jìn)行詳盡的解構(gòu)與分析，重點(diǎn)探討開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）Open Rack V3 (ORv3) 標(biāo)準(zhǔn)下的 5.5kW 電源供應(yīng)單元（PSU）設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，傾佳電子將深入剖析碳化硅（SiC）MOSFET 在這一變革中的戰(zhàn)略價(jià)值，特別是結(jié)合基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）的 B3M 系列產(chǎn)品及其先進(jìn)的 TOLT 封裝技術(shù)，論證其在提升轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)化熱管理及增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性方面的關(guān)鍵作用。

目錄

AI 算力時(shí)代的能源危機(jī)與架構(gòu)重構(gòu)

1.1 從 Hopper 到 Blackwell：晶體管密度與功耗的指數(shù)級(jí)攀升

1.2 “功率墻”挑戰(zhàn)：120kW 單機(jī)柜的物理極限

1.3 傳統(tǒng) 12V 架構(gòu)的崩潰與 48V/54V 架構(gòu)的崛起

Nvidia GPU 供電系統(tǒng)全鏈路架構(gòu)解析

2.1 宏觀視角：GB200 NVL72 機(jī)架級(jí)供電拓?fù)?/p>

2.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：OCP ORv3 電源層（Power Shelf）規(guī)范深度解讀

2.3 微觀視角：板級(jí)電源架構(gòu)（Baseboard Power Distribution）

2.4 最后一英寸：分比式電源架構(gòu)（FPA）與多相電壓調(diào)節(jié)器（VRM）

高密度 AI 服務(wù)器電源（PSU）的核心拓?fù)溲芯?/p>

3.1 5.5kW PSU 的極端功率密度挑戰(zhàn)（>100W/in3）

3.2 AC-DC 前級(jí)：交錯(cuò)并聯(lián)無橋圖騰柱 PFC（Totem-Pole PFC）

3.3 DC-DC 后級(jí)：全橋 LLC 諧振變換器與同步整流

3.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)與峰值負(fù)載管理（Peak Load Shaving）

寬禁帶半導(dǎo)體的戰(zhàn)略突圍：為什么是 SiC？

4.1 硅基超結(jié) MOSFET（Si SJ-MOSFET）的物理瓶頸

4.2 SiC MOSFET 的材料物理優(yōu)勢(shì)與損耗機(jī)制分析

4.3 碳化硅在硬開關(guān)拓?fù)洌–CM PFC）中的不可替代性

4.4 氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）在 AI 電源中的生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)

基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）SiC MOSFET 技術(shù)評(píng)估

5.1 B3M 第三代平面柵 SiC MOSFET 技術(shù)特性分析

5.2 核心產(chǎn)品深度評(píng)測(cè)：B3M040065B 與 B3M013C120Z

5.3 先進(jìn)封裝技術(shù)：TOLT（頂部散熱）的熱學(xué)優(yōu)勢(shì)與工程價(jià)值

5.4 車規(guī)級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)在服務(wù)器領(lǐng)域的應(yīng)用意義

系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用案例與效益分析

6.1 5.5kW 鈦金級(jí)服務(wù)器電源設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：SiC 替代方案

6.2 效率曲線與熱仿真分析

6.3 總擁有成本（TCO）模型與投資回報(bào)率

供應(yīng)鏈安全與未來展望

7.1 “China-for-China”戰(zhàn)略下的國產(chǎn)化替代機(jī)遇

7.2 下一代 800V DC 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的前瞻

結(jié)論與建議

1. AI 算力時(shí)代的能源危機(jī)與架構(gòu)重構(gòu)

人工智能的飛速發(fā)展正在重塑數(shù)據(jù)中心的物理基礎(chǔ)設(shè)施。隨著模型參數(shù)量從千億級(jí)邁向萬億級(jí)，訓(xùn)練和推理所需的算力呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，直接導(dǎo)致了芯片功耗的劇增。這不僅僅是數(shù)字的變化，更是對(duì)電力電子工程的一次極限壓力測(cè)試。

1.1 從 Hopper 到 Blackwell：晶體管密度與功耗的指數(shù)級(jí)攀升

Nvidia 的 GPU 架構(gòu)演進(jìn)是摩爾定律與登納德縮放比例定律（Dennard Scaling）失效后的暴力美學(xué)。

Nvidia H100 (Hopper): 基于 TSMC 4N 工藝，集成了 800 億個(gè)晶體管。在 SXM5 形式下，單顆 GPU 的熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）高達(dá) 700W 1。H100 引入了 Transformer 引擎和第四代 Tensor Core，雖然能效比大幅提升，但絕對(duì)功耗的增加對(duì)散熱和供電提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

Nvidia GB200 (Blackwell): 作為 Hopper 的繼任者，Blackwell 架構(gòu)進(jìn)一步突破了物理限制。GB200 Grace Blackwell 超級(jí)芯片包含兩個(gè) Blackwell GPU 和一個(gè) Grace CPU，晶體管總數(shù)達(dá)到驚人的 2080 億 3。單顆 Blackwell GPU 的功耗預(yù)計(jì)在 1000W 至 1200W 之間，而整個(gè) GB200 NVL72 機(jī)架（包含 72 顆 GPU 和 36 顆 CPU）的總功耗設(shè)計(jì)值達(dá)到了 120kW 。

這種級(jí)別的功率密度在五年前是不可想象的。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)架功率通常在 5kW 至 10kW 之間，高密度機(jī)架也僅在 20kW 左右。GB200 NVL72 直接將這一數(shù)字提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著每一個(gè)物理組件——從連接器、母排到功率半導(dǎo)體——都必須重新設(shè)計(jì)以承受巨大的電流和熱應(yīng)力。

1.2 “功率墻”挑戰(zhàn)：120kW 單機(jī)柜的物理極限

120kW 的機(jī)架功率意味著什么？如果按照傳統(tǒng)的 12V 直流配電架構(gòu)計(jì)算：

I=VP?=12V120,000W?=10,000A

一萬安培的電流！在如此巨大的電流下，母排（Busbar）的截面積需要達(dá)到數(shù)百平方毫米，不僅成本高昂、重量驚人，而且由 I2R 引起的傳輸損耗將變得不可接受。即使是微歐姆級(jí)別的接觸電阻，也會(huì)產(chǎn)生數(shù)千瓦的熱量，導(dǎo)致電壓在到達(dá)負(fù)載之前就跌落到不可用的水平。

這就是所謂的“功率墻”（Power Wall）。傳統(tǒng)的電力傳輸方式在 AI 時(shí)代徹底失效了。為了解決這個(gè)問題，唯一的物理學(xué)路徑就是提高電壓，降低電流。

1.3 傳統(tǒng) 12V 架構(gòu)的崩潰與 48V/54V 架構(gòu)的崛起

為了應(yīng)對(duì)電流挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心行業(yè)，特別是以 Google、Meta（OCP 項(xiàng)目的發(fā)起者）和 Nvidia 為首的巨頭，大力推動(dòng)了 48V（或標(biāo)稱 54V）配電架構(gòu)的普及。

I48V?=48V120,000W?≈2,500A

通過將電壓提升 4 倍，電流降低為原來的 1/4，而線路上的電阻損耗（Ploss?=I2R）則降低為原來的 1/16。這是一個(gè)巨大的收益。Nvidia 的 H100 HGX 和 GB200 NVL72 平臺(tái)均原生支持 48V-54V 的直流輸入 6。這種架構(gòu)不僅降低了銅排的用量，還提高了系統(tǒng)的整體能效（PUE）。

然而，48V 架構(gòu)的引入也帶來了新的挑戰(zhàn)：電壓轉(zhuǎn)換比（Conversion Ratio）的擴(kuò)大。GPU 核心電壓（Vcore）通常在 0.6V 到 1.0V 之間。從 48V 直接降壓到 0.8V，占空比（Duty Cycle）極小，這對(duì)傳統(tǒng)的降壓變換器（Buck Converter）來說效率極低。這催生了對(duì)更高效、高頻的 DC/DC 變換器拓?fù)浜透冗M(jìn)功率器件的需求，正是 SiC 和 GaN 等寬禁帶半導(dǎo)體的用武之地。

2. Nvidia GPU 供電系統(tǒng)全鏈路架構(gòu)解析

Nvidia 的 AI 服務(wù)器供電系統(tǒng)是一個(gè)分層級(jí)、模塊化的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。從電網(wǎng)側(cè)的高壓交流電，到芯片內(nèi)部的低壓直流電，能量需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換。

2.1 宏觀視角：GB200 NVL72 機(jī)架級(jí)供電拓?fù)?/p>

GB200 NVL72 采用了一種革命性的機(jī)架級(jí)設(shè)計(jì)，不再是獨(dú)立的服務(wù)器堆疊，而是一個(gè)巨大的、一體化的計(jì)算單元。

AC 輸入層： 采用三相交流電輸入（通常為 415V 或 480V 工業(yè)電壓），直接饋入機(jī)架后部的電源層（Power Shelf）。

AC-DC 轉(zhuǎn)換層（Power Shelf）： 這是機(jī)架的動(dòng)力心臟。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 GB200 機(jī)架通常配置 6 到 8 個(gè)電源層，每個(gè)電源層包含 6 個(gè)熱插拔的 PSU 模塊 。這些 PSU 將交流電轉(zhuǎn)換為 50V-51V 的直流母線電壓。

DC 母線層（Busbar）： 50V 直流電匯入貫穿機(jī)架高度的垂直銅排（Busbar）。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)層（Compute Tray）： 包含 GPU 和 CPU 的計(jì)算托盤通過盲插連接器（Blind Mate Connectors）直接從母排取電 8。這種無電纜設(shè)計(jì)最大程度降低了接觸電阻和阻抗。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

機(jī)架總功率： ~120kW

電源層容量： 每個(gè) Shelf 提供 33kW (N+N 或 N+1 冗余) 。

PSU 規(guī)格： 單個(gè) PSU 功率為 5.5kW，符合 OCP ORv3 標(biāo)準(zhǔn) 。

2.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：OCP ORv3 電源層（Power Shelf）規(guī)范深度解讀

OCP ORv3（Open Rack Version 3）是目前 AI 數(shù)據(jù)中心供電的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。其中，5.5kW PSU 的規(guī)格是理解 SiC 應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。

輸入電壓： 雖然電源層接受三相電，但單個(gè) 5.5kW PSU 模塊通常設(shè)計(jì)為單相輸入，范圍為 180V-305V AC 11。這意味著每個(gè) PSU 跨接在三相電的火線與火線（L-L）或火線與零線（L-N）之間，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。

輸出電壓： 標(biāo)稱 50V DC（可調(diào)范圍 48V-51V）。

效率要求： 必須達(dá)到 80 Plus Titanium（鈦金級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)，即在 50% 負(fù)載下效率 ≥97.5% 。

功率密度： 尺寸限制為 1OU 高度（40mm）x 73.5mm 寬度 x 525mm+ 深度 。由此計(jì)算，其功率密度必須超過 100 W/in3 。

深度洞察： 在如此緊湊的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn) 5.5kW 的功率輸出且保持 97.5% 的效率，意味著滿載時(shí)的熱損耗必須控制在 140W 以內(nèi)。如果使用傳統(tǒng)的硅基器件，效率可能只能達(dá)到 96%，損耗將激增至 230W，這在 1U 的風(fēng)冷機(jī)箱內(nèi)是幾乎無法散熱的。因此，SiC 或 GaN 的使用不僅僅是為了省電，更是為了讓物理實(shí)現(xiàn)成為可能。

2.3 微觀視角：板級(jí)電源架構(gòu)（Baseboard Power Distribution）

當(dāng) 50V 直流電進(jìn)入 GPU 基板（如 HGX H100 Baseboard）后，需要進(jìn)一步分配和降壓。

輸入濾波器與熱插拔保護(hù)： 使用高壓 MOSFET（通常是 100V 耐壓）進(jìn)行軟啟動(dòng)和故障隔離。

中間總線轉(zhuǎn)換（IBC）： 盡管 Nvidia 推動(dòng) 48V 直供，但部分組件（如風(fēng)扇、輔助芯片）仍需 12V。這里會(huì)使用 48V-12V 的高密度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

核心電壓調(diào)節(jié)（Vcore VRM）： 這是最具挑戰(zhàn)性的部分。

2.4 最后一英寸：分比式電源架構(gòu)（FPA）與多相電壓調(diào)節(jié)器（VRM）

對(duì)于 GPU 核心供電，Nvidia 與 Vicor 合作密切，采用了分比式電源架構(gòu)（Factorized Power Architecture, FPA）16。FPA 將穩(wěn)壓（Regulation）和變壓（Transformation）功能分離：

預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）： 接受 40V-60V 的波動(dòng)輸入，輸出穩(wěn)定的 48V。

變壓模塊（VTM/MCM）： 這是一個(gè)固定比例（如 K=1/48）的電流倍增器，將 48V/1A 轉(zhuǎn)換為 1V/48A，直接放置在 GPU 芯片旁邊甚至基板上 6。

這種架構(gòu)極大地降低了“最后一英寸”的 PDN 阻抗，使得系統(tǒng)能夠響應(yīng) GPU 在微秒級(jí)內(nèi)從 100A 跳變到 1000A 的負(fù)載瞬變（di/dt）。雖然這部分主要使用高頻 GaN 或高度集成的 DrMOS，但前端的 PRM 依然需要高效的高壓開關(guān)器件。

3. 高密度 AI 服務(wù)器電源（PSU）的核心拓?fù)溲芯?/p>

要理解 SiC MOSFET 的價(jià)值，必須深入到 5.5kW PSU 的電路拓?fù)渲小Ｔ?PSU 通常由兩級(jí)組成：AC-DC PFC 級(jí)和 DC-DC LLC 級(jí)。

3.1 5.5kW PSU 的極端功率密度挑戰(zhàn)（>100W/in3）

如前所述，100 W/in3 的功率密度要求極高的開關(guān)頻率以減小磁性元件（電感、變壓器）的體積。傳統(tǒng)的硅 IGBT 或 Superjunction MOSFET 由于開關(guān)損耗（Eon/Eoff）和反向恢復(fù)特性，無法在數(shù)千瓦級(jí)別下運(yùn)行在 100kHz 以上的高頻。

3.2 AC-DC 前級(jí)：交錯(cuò)并聯(lián)無橋圖騰柱 PFC（Totem-Pole PFC）

這是目前實(shí)現(xiàn)鈦金級(jí)效率的主流拓?fù)?。

傳統(tǒng) Boost PFC 的缺陷： 包含一個(gè)整流橋，電流路徑上始終有兩個(gè)二極管壓降，損耗大，難以突破 97% 效率。

無橋圖騰柱 PFC 原理： 移除了輸入整流橋，利用兩個(gè)“慢速”橋臂（工頻切換，通常用 Si MOSFET）和兩個(gè)“快速”橋臂（高頻切換，PWM 調(diào)制）來整流和升壓。

連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）： 對(duì)于 3kW 以上的大功率，電感電流必須工作在 CCM 模式以降低峰值電流和磁芯損耗。

關(guān)鍵痛點(diǎn)： 在 CCM 模式下，當(dāng)開關(guān)管換相時(shí)，體二極管會(huì)經(jīng)歷反向恢復(fù)過程。硅 MOSFET 的體二極管反向恢復(fù)電荷（Qrr）非常大，會(huì)導(dǎo)致巨大的反向恢復(fù)電流倒灌，產(chǎn)生極高的損耗和電磁干擾（EMI），甚至導(dǎo)致器件炸裂。這使得硅 MOSFET 無法用于 CCM 圖騰柱 PFC 。

SiC 的決定性優(yōu)勢(shì)： SiC MOSFET 的體二極管反向恢復(fù)電荷（Qrr）極小（通常是硅的 1/10 甚至更低）。這使得它能夠完美運(yùn)行在硬開關(guān)的 CCM 圖騰柱拓?fù)渲校瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)高效率（>99% PFC 效率）和高頻率（>65kHz，甚至 100kHz+）。

3.3 DC-DC 后級(jí)：全橋 LLC 諧振變換器與同步整流

后級(jí)負(fù)責(zé)將 PFC 輸出的 400V DC 轉(zhuǎn)換為隔離的 50V DC。

拓?fù)溥x擇： 全橋 LLC 諧振變換器是首選，因?yàn)樗茉谌?fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開通（ZVS）和副邊整流管的零電流關(guān)斷（ZCS），極大降低開關(guān)損耗。

SiC 的作用： 雖然 LLC 是軟開關(guān)拓?fù)洌?SiC MOSFET 極低的輸出電容（Coss）使得死區(qū)時(shí)間（Dead Time）可以設(shè)定得更短，從而提高有效占空比和傳輸效率。此外，SiC 的高耐壓能力使其更能應(yīng)對(duì) 400V 母線的電壓波動(dòng) 。

3.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)與峰值負(fù)載管理（Peak Load Shaving）

AI 負(fù)載的一個(gè)顯著特征是劇烈的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。GPU 在啟動(dòng)矩陣乘法運(yùn)算的瞬間，電流需求會(huì)瞬間激增。PSU 必須具備極快的環(huán)路響應(yīng)能力。

SiC 的貢獻(xiàn)： 更高的開關(guān)頻率意味著更寬的控制環(huán)路帶寬，使得 PSU 能更快地調(diào)整占空比以應(yīng)對(duì)負(fù)載突變，減少輸出電壓的下沖（Undershoot）。此外，SiC 的高雪崩耐量（Avalanche Ruggedness）使其在遭遇電網(wǎng)浪涌或負(fù)載反沖時(shí)更加堅(jiān)固耐用 。

4. 寬禁帶半導(dǎo)體的戰(zhàn)略突圍：為什么是 SiC？

在 AI 服務(wù)器電源領(lǐng)域，SiC 并非唯一的選擇，但它是目前最平衡的選擇。我們需要將其與傳統(tǒng)的 Silicon Superjunction (Si SJ) MOSFET 和新興的 Gallium Nitride (GaN) HEMT 進(jìn)行對(duì)比。

4.1 硅基超結(jié) MOSFET（Si SJ-MOSFET）的物理瓶頸

Si SJ-MOSFET 統(tǒng)治了 600V 電源市場(chǎng)二十年，但在 AI 時(shí)代已顯疲態(tài)：

Qrr 問題： 如前所述，高 Qrr 鎖死了 CCM 圖騰柱 PFC 的應(yīng)用路徑。

導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)： 硅材料的 RDS(on)? 隨溫度上升極其劇烈。在 150°C 時(shí)，其導(dǎo)通電阻通常是室溫下的 2.5 倍 。這意味著為了保證高溫下的效率，必須選用規(guī)格大得多的芯片，增加了成本和寄生電容。

4.2 SiC MOSFET 的材料物理優(yōu)勢(shì)與損耗機(jī)制分析

SiC 是一種寬禁帶材料，其臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)是硅的 10 倍。

更薄的漂移層： 同樣的耐壓下，SiC 的漂移層厚度僅為硅的 1/10，阻抗僅為硅的 1/100。這帶來了極低的 RDS(on)?。

熱穩(wěn)定性： SiC 的 RDS(on)? 隨溫度變化平緩。在 150°C 時(shí)，其阻抗僅增加約 30-50% 。這對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫環(huán)境下的服務(wù)器電源至關(guān)重要，意味著在實(shí)際工況下，SiC 的導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于標(biāo)稱值相同的硅器件。

開關(guān)損耗： 極低的柵極電荷（Qg）和輸出電容能量（Eoss）使得 SiC 的開關(guān)損耗（Eon+Eoff）大幅降低，特別是在輕載條件下，Eoss 的降低顯著提升了效率 。

數(shù)據(jù)支撐： 對(duì)比 650V 的 Si SJ-MOSFET 和 SiC MOSFET，在 175°C 結(jié)溫下，SiC 的 RDS(on)? 約為 30mΩ，而同規(guī)格 Si 器件則飆升至 50mΩ 以上，導(dǎo)通損耗差距巨大 。

4.3 碳化硅在硬開關(guān)拓?fù)洌–CM PFC）中的不可替代性

在 3kW-5.5kW 功率段，CCM 模式是必須的，以控制峰值電流。由于 GaN 在 650V 高壓下的雪崩耐量和柵極可靠性（Gate Reliability）在過去曾受到質(zhì)疑（盡管正在迅速改善），SiC 憑借其堅(jiān)固的氧化層和類似于硅的驅(qū)動(dòng)特性，成為了目前服務(wù)器電源 PFC 級(jí)最穩(wěn)妥、最高效的選擇。它完美解決了 Si 的 Qrr 問題，同時(shí)提供了比 GaN 更高的過載和短路耐受能力。

4.4 氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）在 AI 電源中的生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)

PFC 級(jí)： GaN 和 SiC 都在競(jìng)爭(zhēng)。GaN 具有零反向恢復(fù)特性，理論效率更高。但 SiC 在大電流、高溫下的穩(wěn)定性更好。對(duì)于 5.5kW 這樣的高功率模塊，SiC 目前占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在注重可靠性的工業(yè)級(jí)和車規(guī)級(jí)應(yīng)用延伸中 。

LLC 級(jí)： 由于 LLC 是軟開關(guān)，SiC 的 Qrr 優(yōu)勢(shì)不再是決定性的，但其低 Coss 依然有價(jià)值。GaN 在此級(jí)因開關(guān)速度極快而表現(xiàn)優(yōu)異。然而，考慮到物料清單（BOM）的簡(jiǎn)化，許多設(shè)計(jì)傾向于在 PFC 和 LLC 級(jí)全套采用 SiC。

5. 基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）SiC MOSFET 技術(shù)評(píng)估

在 SiC 市場(chǎng)，除了 Infineon、Onsemi 等國際巨頭，中國本土廠商基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）憑借其 B3M 系列產(chǎn)品，正在成為 AI 服務(wù)器供應(yīng)鏈中的重要一環(huán)。

5.1 B3M 第三代平面柵 SiC MOSFET 技術(shù)特性分析

基本半導(dǎo)體的 B3M 系列是基于 6 英寸晶圓平臺(tái)開發(fā)的第三代 SiC MOSFET 技術(shù) 。

低比導(dǎo)通電阻： 優(yōu)化了元胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更低的單位面積導(dǎo)通電阻。

柵極可靠性： 推薦驅(qū)動(dòng)電壓為 -5V/+18V，兼容主流 SiC 驅(qū)動(dòng)器，且具有較寬的電壓安全裕度。

5.2 核心產(chǎn)品深度評(píng)測(cè)：B3M040065B 與 B3M013C120Z

根據(jù)提供的文檔，我們篩選出兩款最適合 AI 服務(wù)器 PSU 的明星產(chǎn)品：

1. B3M040065B (650V, 40mΩ, TOLT 封裝)

定位： 專為 5.5kW PSU 的 PFC 級(jí)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵參數(shù)：

VDS?: 650V，滿足 400V DC 母線要求及電壓尖峰裕量。

RDS(on)?: 40mΩ (Typ @ 25°C)，高溫下增加有限，適合大電流 CCM 操作。

Qrr? & Qg?: 極低的寄生參數(shù)，支持 >65kHz 的開關(guān)頻率。

應(yīng)用場(chǎng)景： 在交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱 PFC 中，使用 4 顆 B3M040065B 構(gòu)成兩個(gè)高頻橋臂，可輕松承載 5.5kW 功率。

2. B3M013C120Z (1200V, 13.5mΩ, TO-247-4 封裝)

定位： 針對(duì)更高電壓的輸入（如工業(yè) 3 相 480V 甚至更高）或?qū)π室髽O致的超高性能模塊。

關(guān)鍵參數(shù)：

RDS(on)?: 僅 13.5mΩ！這是極低的電阻值，意味著在大電流下導(dǎo)通損耗極小。

開爾文源極（Kelvin Source）： TO-247-4 封裝引入了輔助源極引腳，將驅(qū)動(dòng)回路與功率回路解耦，消除了源極電感對(duì)開關(guān)速度的負(fù)面影響，大幅降低開關(guān)損耗（Eon 降低顯著）。

應(yīng)用場(chǎng)景： 適用于追求極致效率的 DC-DC 主開關(guān)管，或未來 800V DC 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。

5.3 先進(jìn)封裝技術(shù)：TOLT（頂部散熱）的熱學(xué)優(yōu)勢(shì)與工程價(jià)值

TOLT (TO-Leaded Top-side cooling) 封裝是基本半導(dǎo)體 B3M 系列的一大亮點(diǎn)，也是解決 5.5kW PSU 散熱瓶頸的關(guān)鍵技術(shù) 。

傳統(tǒng) SMD 的痛點(diǎn)： 傳統(tǒng)的 D2PAK 或 TOLL 封裝，熱量通過底部焊盤傳導(dǎo)至 PCB，再通過 PCB 上的散熱過孔（Vias）傳導(dǎo)至底部的散熱器。PCB 材料（FR4）的熱導(dǎo)率很低，成為了散熱通路的瓶頸。在 5.5kW 的高密度模組中，PCB 會(huì)變得滾燙，影響周圍元件的可靠性。

TOLT 的革命性設(shè)計(jì)： 翻轉(zhuǎn)了內(nèi)部引線框架，將金屬裸露焊盤置于封裝頂部。

熱路徑： 芯片熱量 → 頂部金屬片 → 熱界面材料（TIM） → 散熱器。

優(yōu)勢(shì) 1 - 熱阻極低： B3M040065B 的結(jié)殼熱阻 Rth(j?c)? 僅為 0.65 K/W 23。這意味著熱量能極其迅速地導(dǎo)出。

優(yōu)勢(shì) 2 - PCB 解耦： 熱量不再經(jīng)過 PCB，PCB 溫度大幅降低，不僅提高了可靠性，還允許在 PCB 背面貼裝其他元器件，進(jìn)一步提高功率密度。

優(yōu)勢(shì) 3 - 制造友好： 相比通孔元件（TO-247），TOLT 是表面貼裝器件（SMD），支持全自動(dòng)化貼片生產(chǎn)，大幅降低了人工組裝成本和組裝公差。

對(duì)于 AI 服務(wù)器電源的意義： 在 1U 高度的狹小空間內(nèi)，TOLT 封裝允許散熱器直接壓在器件頂部，利用機(jī)箱風(fēng)扇的高速氣流進(jìn)行高效散熱。這是實(shí)現(xiàn) 100 W/in3 功率密度的物理基礎(chǔ)。

5.4 車規(guī)級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)在服務(wù)器領(lǐng)域的應(yīng)用意義

基本半導(dǎo)體的產(chǎn)品通過了 AEC-Q101 車規(guī)級(jí)認(rèn)證，包括 HTRB（高溫反偏）、H3TRB（高溫高濕反偏）等嚴(yán)苛測(cè)試 。

數(shù)據(jù)中心的“車規(guī)級(jí)”需求： 現(xiàn)代 AI 數(shù)據(jù)中心要求 24/7 不間斷運(yùn)行，且面臨復(fù)雜的溫濕度環(huán)境（尤其是采用新風(fēng)自然冷卻的數(shù)據(jù)中心）。通過車規(guī)級(jí)認(rèn)證意味著器件具有極低的失效率（FIT），這對(duì)于承載著價(jià)值數(shù)百萬美元 AI 訓(xùn)練任務(wù)的電源系統(tǒng)來說，是至關(guān)重要的質(zhì)量背書。

6. 系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用案例與效益分析

6.1 5.5kW 鈦金級(jí)服務(wù)器電源設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)：SiC 替代方案

基于 OCP ORv3 規(guī)范，我們構(gòu)建一個(gè)采用 SiC 的 5.5kW PSU 設(shè)計(jì)方案。

PFC 級(jí)： 采用交錯(cuò)并聯(lián)圖騰柱拓?fù)洹?/p>

高頻管：4x B3M040065B (SiC, 650V, 40mΩ, TOLT)。

低頻管：4x 硅 SJ-MOSFET (600V, 低 Rdson)。

開關(guān)頻率：100kHz。

LLC 級(jí)： 全橋 LLC。

開關(guān)管：4x B3M040065B 或 B3M025065L (SiC, 650V, 25mΩ, TOLL)。

開關(guān)頻率：200kHz (諧振頻率)。

6.2 效率曲線與熱仿真分析

效率提升： 相比于使用 Si MOSFET 的傳統(tǒng) Boost PFC（效率約 96.5%），基于 SiC 的圖騰柱 PFC 級(jí)效率可達(dá) 99% 以上。整個(gè) PSU 的峰值效率可輕松突破 97.5% ，滿足鈦金級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 。

損耗降低： 在 50% 負(fù)載（2750W）下，效率提升 1% 意味著減少了 27.5W 的熱損耗。在 120kW 的機(jī)架層面，這意味著總共減少了約 600W-1000W 的廢熱，大幅降低了機(jī)房空調(diào)（CRAC）的負(fù)擔(dān)，改善了 PUE。

6.3 總擁有成本（TCO）模型與投資回報(bào)率

雖然 SiC 器件的單價(jià)高于 Si 器件，但 TCO 優(yōu)勢(shì)明顯：

電費(fèi)節(jié)省： 對(duì)于一個(gè) 10MW 的 AI 數(shù)據(jù)中心，1% 的能效提升每年可節(jié)省數(shù)百萬度電。

BOM 成本優(yōu)化： SiC 的高頻特性允許使用更小的電感和電容，TOLT 封裝減少了復(fù)雜的散熱器設(shè)計(jì)和 PCB 層數(shù)需求，部分抵消了器件成本的增加。

機(jī)架利用率： 更高密度的 PSU 意味著在有限的機(jī)架空間內(nèi)能塞入更多的 GPU，從而大幅提升單機(jī)柜的算力收益。

7. 供應(yīng)鏈安全與未來展望

7.1 “China-for-China”戰(zhàn)略下的國產(chǎn)化替代機(jī)遇

隨著地緣政治因素對(duì)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的影響加深，中國的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商（如百度、字節(jié)跳動(dòng)、阿里、騰訊）正在積極尋求關(guān)鍵功率器件的國產(chǎn)化替代。基本半導(dǎo)體作為中國本土 SiC 領(lǐng)軍企業(yè)，其 B3M 系列在性能參數(shù)上已對(duì)標(biāo)國際一線大廠（如 Wolfspeed C3M 系列、Infineon CoolSiC），且具備本地化服務(wù)和供應(yīng)保障優(yōu)勢(shì)，是 AI 服務(wù)器電源國產(chǎn)化的理想選擇。

7.2 下一代 800V DC 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的前瞻

展望未來，為了進(jìn)一步降低損耗，數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)可能從 48V 再次躍升至 400V-800V 直流直供（HVDC）。屆時(shí)，1200V 耐壓的 SiC MOSFET（如 B3M013C120Z）將從幕后走向臺(tái)前，成為主功率開關(guān)的核心，直接將高壓直流轉(zhuǎn)換為 GPU 所需的電壓，徹底改變現(xiàn)有的多級(jí)轉(zhuǎn)換架構(gòu)。

8. 結(jié)論與建議

Nvidia GB200 NVL72 開啟了 AI 算力的 E 級(jí)時(shí)代，也宣告了傳統(tǒng)電力電子架構(gòu)的終結(jié)。在 120kW 單機(jī)柜的極限挑戰(zhàn)下，SiC MOSFET 不再是一個(gè)“可選項(xiàng)”，而是一個(gè)“必選項(xiàng)”。

技術(shù)必然性： 只有 SiC 能夠賦能無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)?，在?shí)現(xiàn) 97.5% 以上鈦金效率的同時(shí)，將功率密度推升至 100 W/in3 以上。

產(chǎn)品適配性： 基本半導(dǎo)體的 B3M 系列 SiC MOSFET，特別是結(jié)合了 TOLT 頂部散熱封裝 的 650V 產(chǎn)品，精準(zhǔn)擊中了服務(wù)器電源散熱難、體積小的痛點(diǎn)，是替代進(jìn)口、提升系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)質(zhì)方案。

戰(zhàn)略建議： 對(duì)于服務(wù)器電源制造商及數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商，應(yīng)加速導(dǎo)入基于 SiC 的高密度供電方案，并積極驗(yàn)證如基本半導(dǎo)體等國產(chǎn)頭部廠商的產(chǎn)品，以構(gòu)建高效、可靠且供應(yīng)鏈安全的 AI 基礎(chǔ)設(shè)施。

審核編輯 黃宇