AI供电股暴涨，巨头押注能源供应，行业“能耗之困”的解法是？

能源问题是制约AI进一步发展的下一个关键因素。所以AI掀起的泼天富贵，终归还是让电力能源领域接下了。近日，大洋彼岸“AI电力股”暴涨，美国电力生产商和零售能源供应商之一Vistra股价再度攀高，一年来累计上涨298%。核电商Constellation Energy和光伏发电商NRG Energy一年以来的累计涨幅也分别达到152%和182%。据分析，此番股价狂飙源于AI数据中心建设和运行所带来的电力需求高企。而相应的，科技巨头们也纷纷采取措施，寻求可靠的能源供应或投资具有潜力的能源技术：

• 今年3月，亚马逊云服务(AWS)以6.5亿美元收购了Talen Energy旗下的Cumulus数据中心园区，该园区与萨斯奎哈纳核电站相连。作为交易的一部分，Talen Energy与亚马逊签署了为期十年的电力购买协议，将通过萨斯奎哈纳核电站为亚马逊供电；

• 5月，Constellation Energy首席执行官约瑟夫·多明格斯在一季度财报电话会议上表示，该公司正在考虑增加新的小型模块化反应堆和其他能源技术，为数据中心等大负荷客户提供电力；

• 5月，布鲁克菲尔德公司(Brookfield)宣布，微软与该公司达成协议，计划在2026-2030年间共同开发约10.5 GW的可再生能源发电项目。

能源供应的重要性毋庸置疑，与之同样重要的是能源效率。随着AI模型的复杂度和规模不断增加，训练和运行这些模型所需的计算资源也在急剧上升，导致能源消耗呈指数级增长。不仅如此，另边厢一路高歌的电动汽车市场同样是能源消耗的大户。为了应对这一挑战，尽可能的提升能源效率成为了业界的重要任务。

图源丨站酷海洛

01 聚焦数字控制与电源转换，助力数据中心能耗瘦身

作为信息时代的核心基础设施，数据中心受新基建、数字化转型及数字中国愿景目标等国家政策促进，市场规模持续高速增长。根据中商产业研究院的数据显示，2023年中国数据中心市场规模约为2407亿元，同比增长26.68%。中商产业研究院分析师预测，2024年中国数据中心市场规模将达3048亿元。要知道数据中心的高密度计算和存储需求导致的巨大能源消耗。并且高性能服务器、存储设备和网络设备在持续运行中产生大量热量，需要高效的冷却系统来维持设备的正常运行，这些冷却系统本身也消耗大量电力。如何高效管理和优化能源使用成为关键问题。

对此，利用智慧电源技术不仅能够提升数据中心的能源利用效率，还能确保其稳定运行，降低运营成本。随着数据中心规模的不断扩大和计算需求的增加，智慧电源技术的应用变得尤为重要。相较于传统模拟控制，采用微处理器或数字信号处理器进行电源控制与管理，显著提升了操作的精确度与灵活性。数字控制技术不仅实现了电源工作状态的实时监控与动态调整，依据预设算法确保电源控制的精细化，还极大增强了对外部环境变化的即时响应能力，巩固了电源系统的可靠性，进一步降低了总体运维开销。

对此，TI提供了基于Arm的数字电源控制器UCD3138，能够在单芯片解决方案中提供高集成度和高性能水平。以其卓越的灵活性，广泛适用于多样化的功率转换场景，内部集成了多项针对AC/DC与隔离DC/DC应用优化的外围组件，有效精简了IT与网络基础设施的元件配置，促进了系统整体的优化升级。UCD3138的核心竞争力在于其内置的数字控制环路周边设备（DPP），每个DPP构成一个高速数字控制回路，集成了专用误差模数转换器（EADC）、基于比例积分微分（PID）的二阶/二零点数字补偿器，以及拥有250皮秒脉宽分辨率的数字脉冲宽度调制（DPWM）输出，确保了控制的极致精准。

除了精准控制外，通过优化电源转换效率和减少能量损耗同样是提高整体能效的高效途径。其中包括高效能转换器设计、低损耗功率半导体和先进的电源管理算法。通过采用高效能转换器设计，可以大限度地减少电能在转换过程中的损耗，从而提高电源的整体效率。而低损耗功率半导体能够减少电能在传输过程中的损耗，提高电源的转换效率。

在这方面，英飞凌的CoolMOS™系列革命性地改变了电源转换领域的效率标准，该系列产品基于先进的Superjunction MOSFET技术，这种技术通过独特的结构设计，实现了极低的导通电阻和开关损耗，从而在数据中心和工业电源应用中显著提升能源利用效率并降低热损耗。数据中心因其持续增长的能耗需求和对散热管理的严格要求，而对高效能、低热耗的半导体器件有着极高依赖。CoolMOS™系列凭借其卓越的能效表现，有效帮助数据中心减少了能源消耗和冷却成本，同时提高了系统整体的可靠性和稳定性。

另一边，安森美半导体旗下的NCP系列高效能电源管理IC同样专注于在消费电子和通信设备领域实现能效的优化和节能设计。这些IC集成了多种创新功能，如高精度电压和电流调节、动态电压调节（DVS）以及智能功耗管理算法，旨在满足 现代消费电子和通信设备对低功耗、快速响应和小尺寸封装的需求。

02 高压超充驱动电源技术升级，实现安全与精度双重提升

前不久，国际能源署发布《2024年全球电动汽车展望》报告指出，去年全球电动汽车销量增长35%，达到创新高的1400万辆，在全球汽车销售占比增加4个百分点至18%；今年电动汽车销量预计将达1700万辆，占比升至20%。与此同时，充电桩产业也步入快速发展期，中国充电联盟数据显示，2023年充电基础设施增量为338.6万台，预计2025年国内充电桩存量市场规模或超过3000亿元。作为电动汽车和充电桩领域的核心，电动汽车相关市场的爆炸性增长，已成为全球能源转型和技术创新的强劲驱动力。

当下，电动汽车正向更高电压的800V系统演进，以期更高效地利用电能，提高续航里程和加速性能。但同时，高压超充也对新能源汽车的整个电池系统提出了新的挑战，要知道直流快速充电器只需30至45分钟即可将电池充至80%的电量。尽管使用更高的功率可加快车辆的充电速度，但也会产生大量的热量，热失控的风险增加，因此需要进行有效的监控与预警。BMS作为动力电池系统的大脑，能够有效地对电池进行监控和管理，确保增加续航里程、安全性、可负担性和可靠性。越是高压环境，越是需要电池一致性要求也提高，对BMS的均衡能力要求也要提高。

恩智浦推出的全新高压BMS解决方案旨在优化电池管理系统的性能和安全性，其中MC33774 18通道模拟前端器件可在宽温度范围内提供低至0.8 mV的电芯测量精度和出色的电芯均衡力，支持功能安全等级ASIL-D，适合用于与安全密切相关的高压锂离子电池中，以充分挖掘可用容量。MC33774锂离子电池单元控制器采用恩智浦的SmartMOS SOI（绝缘硅片）技术，可提供低至±0.8 mV的电池测量精度，有助于确保镍锰钴（NCM）和磷酸铁锂（LFP）电池化学材料的寿命性能。此外，还有功能强大的菊花链通信网关芯片MC33665，可支持4路菊花链，可连接4条单链或2条回环菊花链。其与MCU之间的通信支持单SPI、双SPI、UART以及CAN/CAN-FD。CAN-FD最大速率5Mbps，可实现电池包内部无MCU、无软件的BMS架构。

全面布局BMS领域的矽力杰半导体旗下新品BMS AFE芯片SA63122和BMS AFE通信桥接芯片SA63000，同样全力保障了汽车电池的安全运行。据了解在功能安全管理认证体系的护航下，这两款芯片均严格按照ISO 26262功能安全开发流程设计研发，系统应用皆满足ISO 26262安全级别ASIL-D要求。此外，SA63122更是率先在国内获得ASIL-D认证的车规级BMS AFE芯片，典型采样精度达到了±1mV，不仅能够给汽车电池的安全运行保驾护航，也可以为储能系统提供安全保障。

不仅是对电池的精确管理，在800V的高压环境下，对其中的功率半导体的耐压、损耗、抗高温性能同样非常苛刻。传统的Si-IGBT，450V下其耐压为650V，若汽车电气架构升级至800V，考虑开关电压开关过载等因素，对应功率半导体耐压等级需达1200V，而高电压下Si-IGBT的开关/导通损耗急剧升高，面临成本上升而能效下降的问题。SiC基功率半导体相比Si基具备更高耐压等级和开关损耗，是800V趋势下的受益元器件。

意法半导体一直在在大功率SiC模块上不断深耕，去年扩展碳化硅（SiC）产品线，推出了五款新一代SiC MOSFET 功率模组，其涵盖多种不同额定功率，且支持电动汽车电驱系统的常用运作电压。据悉现代汽车公司的E-GMP电动汽车平台已经选择了这些新模块，该平台由起亚EV6和多款车型共享。功率模组采用意法半导体针对电驱系统优化的ACEPACKDRIVE封装，并使用烧结技术大幅提升其可靠及稳定度，易于整合至电驱系统，提供汽车产业一个随插即用的电驱逆变器解决方案。模块内部的主要功率半导体是意法半导体的第三代(Gen3)STPOWER碳化硅MOSFET功率晶体管，具有业界优秀的品质因数(RDS(ON)x芯片面积)、极低的开关能量和超强的同步整流性能。

结语

AI的蓬勃发展与电动汽车市场的爆发性增长正以前所未有的方式重塑着能源领域，同时也揭示着能源技术与信息技术的深度融合将成为推动可持续发展的关键力量。在此背景下，2024慕尼黑上海电子展将汇聚全球电子行业精英与创新成果，聚焦展示从智慧电源管理、高效能半导体到下一代电池管理系统（BMS）的新进展，并深入探讨如何推动AI、电动汽车、数据中心等领域的革新应用，为解决能源挑战、促进产业升级提供全方位视角和解决方案。