110kW 3RU 算力电源架整架全碳化硅设计方案

110kW 3RU 算力电源架整架全碳化硅设计方案

倾佳电子副总 杨茜

一、机型定位

电源架是一个被当作"六个模块加一块背板"的产品，实际上它是 52V 体制里唯一一个承担系统级责任的部件。模块只管自己那 18.4kW，电源架要管的是：六个模块的均流、任一模块热插拔时母线不能扰动、单模块故障时输出不能反灌、2115A 输出母排的温升、以及对整机架的功率遥测和上电时序。

这些责任里有三条需要功率半导体：输出侧的反灌阻断（OR-ing）、热插拔的软启动、以及母排级的过流保护。本方案把这三条合并成一个"输出级"来设计。

配置按 6+1：六个 18.4kW 模块槽加一个电源架控制器槽，3RU 高度，输出 110kW。冗余方式由上层决定——同一机架配两个电源架做 N+N，或者六槽中一槽备用做 5+1。本方案按 6 槽全用、机架级 N+N 设计。

二、电气规格定义

项目	规格
输入	两路三相交流线（每路带三个模块槽），346~480VAC
输出	52V DC，2115A 连续，110kW
输出接口	3 组大电流盲插直流接口，每组 750A 档
模块槽	6 个，热插拔
控制器槽	1 个，1RU EIA，热插拔
母排	铜排，2115A，温升 ≤30K（45℃ 环境）
架间均流	后部两个 RJ45，多架同步上电与动态均流
反灌阻断	输出侧单向，反向漏电流 ≤10mA
热插拔扰动	单模块插入/拔出，母线跌落 ≤±2%
管理	控制器聚合 PMBus，Redfish 上报，PLDM 固件升级
冷却	前进后出，模块自带风扇

三、输出级架构与器件倒推

（一）为什么不用肖特基二极管做 OR-ing

传统做法是每个模块输出串一只大电流肖特基。52V/354A 下，肖特基正向压降 0.45V，单模块损耗 159W，六模块 956W——占 110kW 的 0.87 个点。这个数字在 97% 效率的模块后面完全不可接受：模块辛苦优化出来的 0.5 个点，被 OR-ing 一次吃掉两倍。

理想二极管方案：用低压碳化硅或硅 MOSFET 反向导通做同步 OR-ing，配专用控制器检测反向电流后快速关断。

（二）OR-ing 器件规格倒推

每模块 354A，取四只并联，单只 88.5A。导通损耗目标 ≤15W/模块（对应 0.08 个点），则单只 ≤3.75W，需要 R ≤3.75/88.5²=0.48mΩ（热态）。按 1.35 的温升系数，25℃ 规格取 0.35mΩ。

电压：52V 母线，模块输出短路时反向承受 52V 加上母排电感的感应尖峰。短路电流上升率按母排 60nH、52V 计为 0.87A/ns，检测加关断全链路 500ns 内反向电流可达 430A，关断时 60nH×0.87A/ns 产生 52V 尖峰，总计 104V 加裕量。

规格定义：100V / 0.35mΩ，TOLL 封装，每模块 4 只，共 24 只。

倾佳杨茜代理的 100V 平台低压器件在这个规格档上可以选硅超结或碳化硅两种形态。这里给出一个诚实的判断：100V/0.35mΩ 这一档，硅器件的性价比明显更好，碳化硅在 100V 以下没有物理优势。本方案在 OR-ing 位置推荐硅方案，把碳化硅的价值留在需要它的地方。倾佳杨茜团队在这一层的作业内容是驱动与保护配套、以及母排与连接器的联合校核，不是硬推碳化硅。

（三）热插拔软启动

模块插入时输出电容从 0V 充到 52V，若直接并上母线，涌流由母排电感和电容 ESR 限定，峰值可达数千安。软启动用 OR-ing 器件本身做线性区限流：控制器把栅压按斜坡抬升，让器件工作在饱和区，限流 200A，充电时间 1.2ms。

线性区工作的功耗是这个方案的关键校核点：充电过程中器件两端平均压降约 26V，200A，单模块瞬时功耗 5.2kW，四只分摊 1.3kW/只，持续 1.2ms。TOLL 封装的 1.2ms 瞬态热阻约 0.09K/W，ΔTj=117K。起始结温 60℃ 则峰值 177℃——刚好越过 175℃ 的常规额定值。

解决办法有三个：把限流降到 150A（充电时间 1.6ms，ΔTj 降到 105K，峰值 165℃）；把并联数从 4 增到 6；或者用独立的预充回路（电阻加小型开关）在插入后 10ms 内完成预充，再合上主 OR-ing 器件。

本方案取独立预充回路。 理由是可靠性：线性区限流让器件在每次插拔时都经历一次 100K 以上的结温摆动，按功率循环寿命的五次方律，5000 次插拔寿命要求下，这个温摆是主要的寿命消耗项。独立预充回路多了两个元件，但把 OR-ing 器件的工作模式限制在纯开关，寿命问题消失。

预充回路：2.2Ω 功率电阻加一只 100V/5mΩ 器件，充电时间常数 2.2Ω×1.2mF=2.6ms，充到 95% 需 8ms。预充电阻瞬时耗能 0.5×1.2mF×52²=1.62J，2.2Ω 电阻的单次脉冲能量能力需 ≥5J。

（四）架级过流保护

母排短路是电源架的严重故障：2115A 额定，短路电流由六个模块的限流值叠加（6×400A=2400A）加上输出电容的放电电流（1.2mF×6 并联，52V，短路瞬间由回路电感 80nH 限定，di/dt=650A/μs）。

保护策略：不在架级做固态开断。理由是 52V/2400A 的固态开断器件成本高、损耗大（即便 0.1mΩ 也要 570W），而模块自身的限流已经把稳态短路电流限死。架级只做熔断（2500A 级直流熔断器，I²t 匹配母排）和故障检测后的模块闭锁（检测到母排欠压加过流后 50μs 内通过均流总线命令六个模块关断）。

这条分工是 52V 体制与 800V 体制的根本差别之一：52V 下电弧能量有限、熔断可用；800V 下电弧不自灭、熔断的分断能力和选择性都成问题，必须上固态开断。这个差别在 11 篇和 15 篇里展开。

四、母排设计

2115A、52V、110kW。铜排按 3A/mm²（强制风冷、30K 温升）需 705mm² 截面，取 100mm×8mm 双层（1600mm²，余量 2.3 倍）——留这么大余量的原因不是载流，是电压降：母排全长 0.6m，1600mm² 铜排电阻 6.4μΩ，2115A 下压降 13.5mV，功耗 28.6W。若按 705mm² 设计，压降 30mV，功耗 65W，且局部热点温升超 40K。

母排的第二个设计量是电感。输出母排电感直接决定热插拔涌流和短路电流上升率。双层叠排、间距 2mm、绝缘层厚 1.5mm，估算电感 12nH/m，全长 7.2nH。加上模块输出连接器和分支，总回路电感约 60nH。

母排的第三个设计量是与三组输出接口的分流均匀性。三组接口各 750A 档，若母排设计成单端进线，三组的分流会因为母排电阻分布不均而偏差 15% 以上。取中间进线、两侧对称分流的布局，分流偏差压到 4% 以内。

五、控制器（PSC）设计

1RU EIA 热插拔，以太网 RJ45 带 PoE 供电，独立于 52V 主母线——这是一条重要的设计约束：控制器不能靠主母线供电，否则母线故障时控制器同时失效，无法上报故障。

功能：

均流仲裁：采集六模块的输出电流，计算平均值，向偏离的模块下发电流指令修正。更新周期 1ms。这只管静态；动态均流靠模块自身的输出下垂。

上电时序：六模块不能同时启动——六个 18.4kW 的 PFC 同时软启会在三相输入侧产生 132kW 的涌流。按 200ms 间隔逐个启动，全架上电 1.2s。多架系统通过后部 RJ45 串接，架间再加 500ms 错开。

故障隔离：任一模块的故障码上报后，控制器判断是否需要隔离。判据分三级：可恢复告警（风扇转速下降、温度接近阈值）只上报；降额运行（单相输入异常）通知其他模块分担；硬故障（输出过压、内部短路）立即命令该模块的 OR-ing 器件关断并锁定。

遥测聚合：六模块各 1kHz 的遥测数据聚合成整架 1kHz 的功率读数，通过 Redfish 上报。GPU 集群的功率调度器用这个数据做机架级功率封顶，延迟要求 ≤10ms。

固件升级：模块与控制器的固件都支持在线升级（PLDM），升级过程中模块不能退出供电——这要求模块的升级代码与运行代码分区，切换在一个开关周期内完成。

六、三组输出接口的规格档

每组 750A、52V。与 01 篇模块级接口相比，架级接口的差别是它不热插拔（机架安装时一次性连接），但载流更大。

规格档要求：额定载流 ≥800A、接触电阻 ≤0.06mΩ、温升 ≤40K（45℃ 环境）、插拔寿命 ≥100 次、带机械锁止和位置检测。

安费诺的高压母排接口系列与电池包主回路接口系列在载流档上覆盖这个需求。这类接口的原设计工况是电动汽车电池包输出——同样是几百安级的直流、同样要求低接触电阻和机械锁止、同样有位置检测（HVIL 高压互锁）的要求。52V 场景下 HVIL 不是安全必需，但作为连接状态检测仍有价值：控制器可以据此判断输出接口是否可靠连接，避免带载插拔。

三组接口合计接触损耗：0.06mΩ×750²×3=101W，占 0.09 个点。这个数字提醒一件事——接口选型不是结构件选型，它在效率账里的排位高于很多被反复优化的电路细节。倾佳杨茜团队在算力电源项目上把连接器纳入电气 BOM 一起校核，原因就在这里。

七、实测与验证清单

单模块热插拔（插入与拔出各 200 次），记录母线跌落幅值与恢复时间，确认 ≤±2%。

预充回路的电阻壳温与器件结温（连续 20 次插拔，间隔 30s）。

六模块静态均流度（20%/50%/100% 三个负载点）。

单模块突然退出的动态：满载下切断一个模块，记录母线跌落与其余五模块的电流上升过程。

母排温升（满载 2115A，45℃ 环境，连续 4 小时），红外扫描全母排，重点是三组接口的接触点。

三组输出接口的分流均匀性（各接口独立测流）。

母排短路试验（带熔断器），记录熔断动作时间、峰值电流、以及 OR-ing 器件是否受损。

控制器掉电时的系统行为：控制器拔出后六模块应维持当前工作点，不应停机。

遥测链路延迟（模块采样到 Redfish 可读）实测，确认 ≤10ms。

架间均流（两架并联带一个机架负载），记录架间电流分配偏差。

八、这个机型的设计要点回顾

电源架的技术含量集中在三处：OR-ing 从二极管改成同步器件后省下的 0.8 个点、预充回路把 OR-ing 器件从线性区解放出来换来的寿命、以及母排与接口在效率账里被低估的 0.2 个点。

碳化硅在这个机型里的角色是有限的——52V 母线上的器件都在 100V 平台，那是硅的主场。把这一点讲清楚，比在每个位置都堆碳化硅更能建立技术可信度。倾佳杨茜团队在 52V 电源架项目上的定位是：低压器件按成本最优选型、驱动与保护方案配套、母排与连接器联合校核、以及为客户同步规划 800V 版本的平台复用路径——18.4kW 模块的 800V 内部母线意味着它的后级 LLC 可以原封不动搬到 800V 直流输入的场景，这是 52V 客户在 2027 年之前最值钱的一条技术资产。

倾佳副总杨茜-力推器件方案

审核编辑 黄宇