*本篇"AOS AI服务器电源HVDC  IBC  SiC/Si解决方案"的作者为AOS应用工程经理朱礼斯先生，发布于2026年9月14日，以下是文章全部内容。 

不断增长的AI算力密度正在重新定义中间母线变换器（IBC）：下一代中间母线变换器（IBC）正在从传统48V架构过渡到800V架构，800V高压架构是一套为解决AI算力供电瓶颈而生的“高能效、高密度”方案，以减少配电损耗并提升超高机柜功率水平下的电力传输能力。

SiC（碳化硅）器件：用于前端AC/DC及高压转换环节，耐压高、导通电阻仅为硅基的1/10，开关损耗降低70%以上，最高工作结温200℃，是800V高压转换PSU的核心器件。

GaN（氮化镓）器件：用于后级800V转50V/12V的高频DC-DC转换，支持1MHz开关频率，实现高功率密度小型化设计。

Si（硅）器件：用于中低压侧，成本/性能最优化，也是目前最成熟的解决方案。

目前GaN（氮化镓）非常适合LLC等软开关拓扑，用于超高频（≥500 kHz）工作，在效率×功率密度的优值指标（FOM）上表现最佳，是 HV IBC的主流方案。AI HVDC核心供电设备对可靠性和寿命要求极高（设计寿命10年以上），对可靠性的要求比汽车更高（生命周期内不间断运行）。器件需通过远超车规标准的严苛测试，认证周期长达 2-3 年。所以器件本身面临的核心挑战已从“能不能做出来”转变为“如何在苛刻条件下长期、稳定、可靠地工作”。

GaN 的高频优势在 HVDC的紧凑空间内极具吸引力，但其特有的“动态”问题尚未完全解决，其动态导通电阻退化与电压、温度、开关频率强相关。Si和SiC器件相对于GaN拥有稳健的雪崩和短路承受能力，长时间运行的可靠性已经得到充分的验证。所以AOS 在设计开发了GaN方案HV IBC的同时，也设计了基于SiC和Si的HV IBC的混合方案。

系统需要能够以受控的方式对板卡800V供电电压进行通断控制，在机架继续运行的同时更换服务器板，可以避免为了维护而关闭整个系统，并减少运营中断。热插拔还需要具备电子熔断器（eFuse）功能，同时对服务器板与 HVDC 母线之间接口的电流和电压进行监测，以便在发生故障时切断供电电压，所以热插拔(Hot-swap)功能对于加速计算平台的安全可靠运行越来越重要。目前800V热插拔需要与HV IBC集成在同一片PCB板上，功能有两种实现方案：第一种是采用级联结构的SiC-JFET，另一种是使用SiC-MOSFET。

热插拔的核心过程是：在模块插入带电母线的瞬间，通路器件必须工作在线性区，以限制浪涌电流、逐步为下游电容充电。此时器件同时承受高电压和大电流，功率损耗非常大。所以关于热插拔功率器件的选择，需要考虑两个主要参数，一个是安全工作区（SOA）的能力，另一个是稳态工作时的导通电阻（Rdson）。SiC JFET相比 SiC MOSFET阈值电压的温度系数极小，且拥有极宽的安全工作区域（SOA），同时没有氧化层可靠性问题。SiC JFET 没有 MOSFET 固有的表面反型层沟道电阻，导电通道更宽、载流子迁移率更高，在相同芯片面积下可实现更低的 RDS(ON)，显著降低长期运行的导通损耗。同时HVDC 系统中故障电流上升极快，器件必须具备极强的瞬时过流承受能力。SiC JFET 的雪崩能量吸收能力和浪涌耐受能力显著优于 SiC MOSFET，在短路和过流工况下不易损坏。所以高压热插拔(HV Hot-swap)普遍使用SiC JFET方案。

将高压 SiC JFET 与低压 Si MOSFET进行 Cascode（级联），即可实现常关特性，同时保留 JFET 核心的所有优势。AOS针对AI电源市场800V输入的趋势即将推出1200V/4mΩ的SiC-JFET产品，将导通损耗进一步降低至1.3W。对于输入电容较大（150 µF）的服务器板卡，预充电流0.5A，从0 V预充电至800 V的过程已通过实验验证。SOA能力完全可以满足应用要求。

该方案使用三相全桥LLC变换器拓扑，将800V输入转换为50V输出，总输出功率为12kW，共两路输出，每路输出6kW，系统框图如上图所示。PCB板尺寸为124mm×146mm×11mm，板上集成了热插拔器件、辅助电源、连接器、输入大容量电容和输出MLCC电容。功率密度达到2400mm²/kW。三相拓扑采用交错控制来降低输入端和输出端的电流和电压纹波，可以大幅降低输入和输出电容值，同时可以将磁芯损耗和PCB绕组的交流损耗降至最低。变压器采用适用于高频高功率密度应用场合的平面变压器。

三相LLC谐振变换器通过将功率均匀分配至三个谐振腔，实现了更高额定功率。由于三个同步整流器输出之间存在120°的相位差，输出纹波频率为开关频率的六倍。较低的纹波电流使得输出侧滤波电容的体积得以减小，系统功率密度也相应提高。下图展示了三相LLC谐振变换器的稳态主要波形。这些波形基于以下条件：

1. 脉冲宽度为0.5，死区时间被忽略

2. 转换器工作在连续导通模式下（fs = fr）

3. 假设各相的谐振电容器、谐振电感以及励磁电感均相同

4. 桥臂之间的相位差为120°

V_GS 是功率开关的栅极驱动信号。I_Lr1、I_Lr2 和 I_Lr3 为谐振电流。U_UN、U_VN 和 U_WN 分别为桥臂中点与变压器中点 N 之间的电压。I_A、I_B 和 I_C 为二次侧各相电流。I_OUT 为变换器的输出电流纹波。

输入阻抗角为0时，频率为ωο，输入阻抗为感性负载时，即阻抗角大于0，工作频率 ω > ωο。谐振频率为ωr。谐振参数为：

磁设计是系统的关键方面，因为绕组和磁芯的组合损耗代表主要损耗贡献，且变压器体积强烈影响功率密度。选择 PCB 平面矩阵变压器是因为其低剖面、可重复性以及在 LLC 变换器中利用漏感作为谐振电感（Lr）。变压器绕组层叠结构如下图所示。为了减少绕组趋肤效应和邻近效应，最小化交流损耗。每个单匝副边绕组由两层并联的 3 oz 铜箔组成，而原边绕组使用四层串联，每层使用四匝 3 oz 铜箔。绕组设计必须确保原边和副边绕组之间的加强隔离和屏蔽，同时控制漏感作为谐振电感Lr。通常采用夹层结构，原边绕组位于副边绕组之间^[1]。

磁芯设计，包括气隙和磁柱直径，针对开关频率进行了优化，并在原边和副边等效输出电容给定的情况下提供足够的励磁电流以实现软开关。磁芯由DMR53材料制成，细长磁柱的设计可以最小化磁芯中的涡流损耗。

参考资料