随着人工智能、大模型训练和高性能计算的快速发展，服务器单机柜功率等级持续上升，通用冗余电源（CRPS，Common Redundant Power Supply）的功率等级也随之提升。然而服务器机架内部留给电源模块的空间是一定的，高功率密度因此成为未来服务器电源的核心指标。根据预测，到2033年，单个电源模块（PSU，Power Supply Unit）的功率密度将由当前约100 W/in³提升至180 W/in³。

当前CRPS电源主要采用“前级PFC+后级DC-DC”的两级架构，如图1-2所示，前级PFC（Power Factor Correction）不仅承担功率因数校正和母线电压调节的功能，其效率、体积、损耗与散热设计还会直接影响整机性能。因此，要实现更高功率密度，PFC拓扑与器件方案是绕不开的关键环节。

从工业界与学术界的公开样机可以看到，两电平图腾柱PFC具有结构直接、控制成熟等优势，但其功率密度一般不超过350 W/in³（不考虑母线电容的体积）；多电平拓扑通过降低电感伏秒、提高电感电流的频率，可以进一步压缩磁性元件体积。在保持峰值效率接近99%的同时，多电平方案展现出更高功率密度的潜力。然而，随着电平数的增加，功率器件与驱动电路数量也相应增多，同时飞跨电容均压控制及故障保护的实现难度进一步提升，导致系统整体复杂度增加。

围绕CRPS电源对高效率和高功率密度的双重需求，ZJU-PMIC团队围绕不同PFC拓扑开展深入研究，综合考量效率和功率密度，先后设计并搭建了两电平图腾柱PFC、三电平飞跨电容PFC、四电平飞跨电容PFC和六电平飞跨电容PFC样机。下面，我们将从拓扑结构、关键参数和实测结果，对四类PFC方案逐一展开介绍。

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二、两电平图腾柱PFC

（1）拓扑与控制：GaN器件 + 临界导通模式（CrM）三相交错

（2）样机与关键参数

参数	数值
输入/输出电压	220 VRMS / 400 Vdc
设计最大输出功率	4.8 kW
单个功率电感与其体积	70 μH, 21.53 cm³
高频管开关频率	38 kHz – 320 kHz
功率密度（不含母线电容）	243 W/in³
峰值效率（含滤波器）	99.4% @ 2.1 kW

（3）主要波形与效率测量曲线

实测结果显示，该样机峰值效率为99.4%（考虑滤波器），整机功率密度可达到243 W/in³（不考虑母线电容的体积），高频开关器件的工作频率范围为38–320 kHz。两电平方案的突出优势是拓扑简洁、控制成熟、器件数量较少；当进一步提升功率密度时，如何在磁元件的体积与损耗（包括磁芯损耗和绕组损耗）之间实现最优解，成为制约其功率密度提升的主要瓶颈。

三、三电平飞跨电容PFC

（1）拓扑与控制：SiC器件 + 连续导通模式（CCM）

（2）样机与关键参数

参数	数值
输入/输出电压	220 VRMS / 400 Vdc
设计最大输出功率	3.6 kW
单个功率电感与其体积	50 μH, 12.08 cm³
高频管开关频率	70 kHz
功率密度（不含母线电容）	328 W/in³
峰值效率（含滤波器）	99.1% @ 1.8 kW

（3）主要波形与效率测量曲线

该样机峰值效率为99.1%（考虑滤波器），整机功率密度达到328 W/in³（不考虑母线电容的体积），高频开关器件工作在70 kHz。三电平拓扑可以减小开关节点的电压阶跃，显著减小功率电感的体积。

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四、四电平飞跨电容PFC

（1）拓扑与控制：GaN器件 + 连续导通模式（CCM）

（2）样机与关键参数

参数	数值
输入/输出电压	220 VRMS / 400 Vdc
设计最大输出功率	4 kW
功率电感与体积	30 μH, 5.22 cm³
高频管开关频率	60 kHz
功率密度（不含母线电容）	506 W/in³
峰值效率（含滤波器）	99.4% @ 1.2 kW

（3）主要波形与效率测量曲线

该样机峰值效率为99.4%（考虑滤波器），整机功率密度达到506 W/in³（不考虑母线电容的体积），高频开关器件工作在60 kHz。

五、六电平飞跨电容PFC

（1）拓扑与控制：GaN器件 + 连续导通模式（CCM）

（2）样机与关键参数

参数	数值
输入/输出电压	220 VRMS / 400 Vdc
设计最大输出功率	3.6 kW
功率电感与体积	30 μH, 5.22 cm³
高频管开关频率	30 kHz
功率密度（不含母线电容）	508 W/in³
峰值效率（含滤波器）	99.4% @ 1.5 kW

（3）主要波形与效率测量曲线

该样机峰值效率为99.4%（考虑滤波器），整机功率密度达到508 W/in³（不考虑母线电容的体积），高频开关器件工作在30 kHz。六电平方案可进一步降低电感的伏秒，并在较低开关频率下保持较高效率，有利于降低开关损耗和开关管的电压应力。然而，更多的功率器件、飞跨电容、驱动与采样电路会占用额外空间，因此其系统功率密度并未随电平数增加而继续提升。此外，随着电平数的增加，高频管和其驱动的数量增多，也会带来更高的驱动成本。

六、四种方案的关键指标一览

将四种方案下的样机进行对比，可以更直观地看到不同电平数在效率、功率密度、磁元件和开关频率之间的差异。

拓扑	器件与工作模式	最大功率	单个功率电感	高频开关频率	功率密度 （不含母线电容）	峰值效率 （含滤波器）
两电平	GaN / CrM 三相交错	4.8 kW	70 μH，21.53 cm³	38–320 kHz	243 W/in³	99.4%
三电平	SiC / CCM	3.6 kW	50 μH，12.08 cm³	70 kHz	328 W/in³	99.1%
四电平	GaN / CCM	4.0 kW	30 μH，5.22 cm³	60 kHz	506 W/in³	99.4%
六电平	GaN / CCM	3.6 kW	30 μH，5.22 cm³	30 kHz	508 W/in³	99.4%

说明：四种方案样机的额定功率、器件类型、控制模式和结构形式并不完全相同，表中数据用于呈现工程实现结果，不宜仅凭某一个指标作绝对优劣判断。

综合来看，多电平PFC为进一步提升功率密度提供了一条非常清晰的技术路径。相比传统两电平方案，多电平拓扑不仅能够实现电感电流频率倍增，还可以显著降低电感承受的伏秒积，从而有效缩小滤波器和功率电感体积，为高功率密度设计释放更多空间。

从三电平到四电平，随着电平数增加，器件电压应力进一步降低，磁性元件体积得到压缩，变换器的峰值效率和功率密度均取得了较为明显的提升。但当电平数继续由四电平增加到六电平后，更多功率器件、驱动电路及辅助电路也随之引入，其带来的额外体积、损耗和控制复杂度逐渐抵消了多电平化所带来的收益，功率密度的提升趋于有限。

因此，多电平并非“电平数越高越好”。综合效率、功率密度、器件数量以及控制与系统实现复杂度等因素来看，四电平图腾柱飞跨电容PFC在性能提升与工程实现之间取得了更好的平衡，展现出更具竞争力的综合优势。

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七、参考文献

1. 纳微半导体. 第三代半导体驱动超高功率密度 CRPS185 3200W 钛金 Plus 服务器电源设计 [EB/OL]. (2024-04-03)[2025-02-10].
2. J. Li, Z. Chen, S. Zhang and X. Wu, “Implementation of Close-Loop Control for Interleaved CrM Totem-Pole PFC Converters with GaN Devices,” 2023 IEEE 14th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Shanghai, China, 2023, pp. 137-140, doi: 10.1109/PEDG56097.2023.10215217.
3. L. Lv, J. Dong, C. Huang and X. Wu, “GaN-Based High Efficiency Flying Capacitor 6-level Bidirectional AC-DC Converter,” 2025 IEEE 3rd International Power Electronics and Application Symposium (PEAS), Shenzhen, China, 2025, pp. 475-479, doi: 10.1109/PEAS66638.2025.11403063.
4. C. Huang, J. Dong, Z. Zhu and X. Wu, “Design for High Efficiency High Density Flying Capacitor Multilevel Inverter,” 2024 3rd Asia Power and Electrical Technology Conference (APET), Fuzhou, China, 2024, pp. 355-360, doi: 10.1109/APET63768.2024.10882652.