根據(jù)Synergy Research Group的報(bào)告顯示，截至2024年底，超大規(guī)模運(yùn)營商運(yùn)營的數(shù)據(jù)中心數(shù)量達(dá)到1136個(gè)，較2019年第四季度的不到600個(gè)大幅增加，意味著全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量在過去五年中幾乎翻了一番。   

此外，未來幾年規(guī)劃中的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目數(shù)量自2022年3月以來增長了60%，從314個(gè)增加到2025年3月的504個(gè)。這些設(shè)施不再是過去單棟10兆瓦（MW）的數(shù)據(jù)中心，而是占地?cái)?shù)百英畝、包含多棟建筑的100兆瓦以上大型園區(qū)。   

今年年初，日本軟銀集團(tuán)、OpenAI和甲骨文三家企業(yè)宣布將投資5000億美元，打造“星際之門”項(xiàng)目，用于在美國建設(shè)支持AI發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施。   但與此同時(shí)，市場也有不同意見。“大型科技公司、投資基金和其他機(jī)構(gòu)正紛紛從美國到亞洲各地倉促建設(shè)服務(wù)器基地，這種投資顯得盲目，很多服務(wù)器基地在建設(shè)時(shí)并未明確考慮客戶需求?！?月25日，據(jù)港媒報(bào)道，在2025年匯豐全球投資峰會(huì)上，阿里巴巴集團(tuán)董事長蔡崇信指出，目前全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)速度超出人工智能（AI）的初始需求，警告可能出現(xiàn)泡沫風(fēng)險(xiǎn)。   

另外，微軟取消的歐美數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目總

不過無論如何，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心為支撐高強(qiáng)度的 AI 運(yùn)算，其能源消耗在近年來呈幾何倍數(shù)增長，這已經(jīng)成為了不爭的事實(shí)，部分超大型數(shù)據(jù)中心的年度耗電量甚至堪比一座小型城市。這不僅導(dǎo)致運(yùn)營成本大幅增加，還對全球能源供應(yīng)與可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。   

電源管理作為優(yōu)化芯片功耗、提升能源利用效率的核心技術(shù)，以及功率密度提升所代表的芯片性能與空間利用的高效化追求，已然成為當(dāng)下 AI 芯片領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)與競爭高地。芯片公司也正在努力提升功率密度，應(yīng)對未來 AI 產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。   

以下節(jié)選了幾家芯片公司發(fā)表的針對AI服務(wù)器的白皮書和最新見解，無論哪家公司都認(rèn)為，未來硅不會(huì)消失，同時(shí)寬禁帶半導(dǎo)體的需求將會(huì)越來越多。

安森美：SiC MOSFET 如何提高 AI 數(shù)據(jù)中心的電源轉(zhuǎn)換能效

安森美產(chǎn)品線經(jīng)理 Wonhwa Lee表示，散熱是數(shù)據(jù)中心面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，當(dāng)今大多數(shù)數(shù)據(jù)中心散熱系統(tǒng)的電力消耗占比超過 40%。實(shí)際上，對于電源效率，浪費(fèi)的能源主要以熱量形式散失，而這些熱能又需要通過數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)排放出去。因此，電源轉(zhuǎn)換效率越高，產(chǎn)生的熱量就越少，相應(yīng)地，在散熱方面的電費(fèi)支出也就越低。   

數(shù)據(jù)中心內(nèi)功率密度加速上升，大約十年前，每個(gè)機(jī)架的平均功率密度約為 4 至 5 kW，但當(dāng)今的超大規(guī)模云計(jì)算公司（例如亞馬遜、微軟或 Facebook）通常要求每個(gè)機(jī)架的功率密度達(dá)到 20 至 30 kW。一些專業(yè)系統(tǒng)的要求甚至更高，要求每個(gè)機(jī)架的功率密度達(dá)到 100kW 以上。因電源存放及散熱空間有限，高功率密度要求電源設(shè)計(jì)緊湊且高能效，同時(shí)電源還需滿足數(shù)據(jù)中心行業(yè)特定需求，如 AI 數(shù)據(jù)中心 PSU 需符合嚴(yán)格的 Open Rack V3（ORV3）基本規(guī)范。近期新型 AC - DC PSU 標(biāo)稱輸入范圍 200 至 277VAC，輸出 50VDC，ORV3 標(biāo)準(zhǔn)要求在 30% 至 100% 負(fù)載條件下峰值效率超 97.5%，10% 至 30% 負(fù)載條件下最低效率達(dá) 94%。   

功率因數(shù)校正 (PFC) 級是 PSU 中 AC-DC 轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組成部分，對于實(shí)現(xiàn)高能效非常重要。PFC 級負(fù)責(zé)整形輸入電流，以盡可能放大有用功率與總輸入功率之比。為滿足 IEC 61000-3-2 等法規(guī)中的電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)，并確保符合 ENERGY STAR? 等能效規(guī)范，PFC 設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵所在。   對于數(shù)據(jù)中心等許多應(yīng)用，最好選用“圖騰柱”PFC 拓?fù)鋪碓O(shè)計(jì) PFC 級。該拓?fù)渫ǔＳ糜跀?shù)據(jù)中心 3 kW 至 8 kW 系統(tǒng)電源中的 PFC 功能塊（下圖）。圖騰柱 PFC 級基于 MOSFET，通過移除體積大且損耗高的橋式整流器，提高了交流電源的能效和功率密度。  

圖 ：圖騰柱 PFC 級   然而，為了實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心公司要求的 97.5% 或更高的能效，圖騰柱 PFC 需使用基于“寬禁帶”半導(dǎo)體材料（如碳化硅 (SiC)）的 MOSFET。如今，所有 PFC 級均采用 SiC MOSFET 作為快速開關(guān)橋臂，并使用硅基超級結(jié) MOSFET 作為相位或慢速橋臂。   

與硅 MOSFET 相比，SiC MOSFET 性能更優(yōu)、能效也更高，且穩(wěn)健可靠，在高溫下表現(xiàn)更出色，可以在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行。   

與硅基超級結(jié) MOSFET 相比，SiC MOSFET 在輸出電容中儲(chǔ)存的能量 (EOSS) 較低，而這對于實(shí)現(xiàn)低負(fù)載目標(biāo)至關(guān)重要，因?yàn)?PFC 級的開關(guān)損耗主要來源于 EOSS 和柵極電荷相對較高的器件。較低的 EOSS 可大大減少開關(guān)過程中的能量損失，從而提高圖騰柱 PFC 快速橋臂的能效。此外，由于 SiC 器件具有出色的熱導(dǎo)率，相當(dāng)于硅基器件的三倍，因此與硅基超級結(jié) MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的正溫度系數(shù) RDS(ON)。 

下圖為 650V SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系。（結(jié)溫為 175℃ 時(shí)的導(dǎo)通電阻比室溫時(shí)的導(dǎo)通電阻高 1.5 倍。）

圖：650V SiC MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系   同樣，下圖為 650 V 超級結(jié) MOSFET 的導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系。結(jié)溫為 175℃ 時(shí)的導(dǎo)通電阻比室溫下的導(dǎo)通電阻高 2.5 倍以上。  

圖：650 V 硅基超級結(jié) MOSFET 導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系   

比較額定 RDS(ON) 類似的硅基 650 V 超級結(jié) MOSFET 與 650 V SiC MOSFET，在結(jié)溫 (Tj) 為 175℃ 時(shí)，前者的導(dǎo)通電阻RDS(ON)提高到約 50 mohm，而此時(shí)后者的 RDS(ON) 約為 30 mohm。在高溫運(yùn)行期間，650 V SiC MOSFET 的導(dǎo)通損耗更低。   

在圖騰柱 PFC 慢速橋臂功能塊和 LLC 功能塊中，導(dǎo)通損耗占總功率損耗的大部分。SiC MOSFET 在較高結(jié)溫下的 RDS(ON) 較低，有助于提高系統(tǒng)能效。   

得益于在高溫下 RDS(ON) 增幅較小且 EOSS 出色，SiC MOSFET 在圖騰柱 PFC 拓?fù)渲斜憩F(xiàn)突出，更有助于提高能效并減少能量損失。

意法半導(dǎo)體：混合式TCM/CCM控制策略在交錯(cuò)TTP PFC中扮演著重要角色

意法半導(dǎo)體表示，AI服務(wù)器作為支撐各類復(fù)雜AI運(yùn)算的關(guān)鍵硬件，其電源（PSU）的性能表現(xiàn)成為了決定整個(gè)系統(tǒng)效能的重要因素。作為大功率AI服務(wù)器PSU領(lǐng)域的一項(xiàng)重大革新——混合式TCM/CCM控制策略在交錯(cuò)TTP PFC中扮演著重要角色。   

先進(jìn)控制策略成為必然選擇，像TCM、CCM及交錯(cuò)圖騰柱PFC技術(shù)，可優(yōu)化電源性能，讓PSU能快速響應(yīng)負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)智能電力管理。模塊化和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)也極為關(guān)鍵，能滿足多樣化功率需求，便于維護(hù)和模塊替換，提升系統(tǒng)可靠性。   

此外，AI服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)熱多，高效冷卻和熱管理技術(shù)從風(fēng)冷向液冷升級，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。增強(qiáng)故障容錯(cuò)和預(yù)測性維護(hù)功能，減少停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，確保電力持續(xù)供應(yīng)，是PSU高可靠性的重要體現(xiàn)。   混合式TCM/CCM控制策略詳解

• 圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖騰柱PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在PSU設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，主要有單通道和交錯(cuò)式兩種配置。單通道圖騰柱PFC通常適用于4kW以下的功率場合，器件數(shù)量少、電路結(jié)構(gòu)相對簡單，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

交錯(cuò)圖騰柱PFC則適用于對功率和效率要求更高的大功率場景。它采用兩相或三相交錯(cuò)的方式，工作模式更加靈活，可以是CCM、TCM，甚至是混合模式。在輕載情況下，通過采用TCM模式和相屏蔽技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升效率，減少器件損耗，為高功率AI服務(wù)器PSU提供了更可靠的解決方案。

• 控制模式對比與選擇

在PFC控制策略中，常見的有CCM（電流連續(xù)模式）、DCM（電流斷續(xù)模式）、CRM（臨界導(dǎo)通模式）和TCM（三角電流模式）。在本次討論的方案中，重點(diǎn)采用了CCM和TCM的混合模式。   

CCM的特點(diǎn)是電流連續(xù)，開關(guān)頻率固定。這種模式在高功率、高穩(wěn)定性要求的場合表現(xiàn)出色，因?yàn)槠潆娏鞑y低，能夠提供相對穩(wěn)定的電流輸出，但其開關(guān)損耗較高，輕載時(shí)效率會(huì)有所下降。

TCM則是一種開關(guān)頻率可變的控制模式，電流波形呈三角形。其優(yōu)勢在于輕載時(shí)開關(guān)損耗低，效率較高。與DCM和CRM相比，TCM和CCM更適合AI服務(wù)器PSU應(yīng)用。DCM的電流斷續(xù)特性導(dǎo)致其工作頻率不穩(wěn)定，且無法實(shí)現(xiàn)零電壓開通，在效率和穩(wěn)定性方面存在不足。CRM雖然也是變頻模式，但同樣沒有零電壓開通的優(yōu)勢，因此在本應(yīng)用場景中未被重點(diǎn)考慮。而TCM和CCM結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，有效提升整體效率，滿足AI服務(wù)器在不同負(fù)載情況下的需求。   

混合控制模式優(yōu)勢               

混合式TCM/CCM控制模式具有多方面的顯著優(yōu)勢：   

優(yōu)化效率：混合策略可根據(jù)負(fù)載情況在TCM和CCM之間切換，從而在廣泛的工作點(diǎn)上優(yōu)化效率。TCM在輕負(fù)載時(shí)由于開關(guān)損耗減少而更高效，而CCM在高負(fù)載時(shí)由于導(dǎo)通損耗較低而更高效。   

減少紋波電流：兩相/三相交錯(cuò)有助于顯著減少輸入和輸出電流紋波。混合方法可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整工作模式進(jìn)一步優(yōu)化紋波減少。   

增強(qiáng)的熱管理：在兩相之間分配負(fù)載并在TCM和CCM之間切換可以帶來更好的熱性能和更均衡的熱量散布。   

改善瞬態(tài)響應(yīng)：在TCM和CCM之間切換，使系統(tǒng)能夠快速適應(yīng)負(fù)載變化，提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)。   

靈活性和可靠性：混合控制策略在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上提供了靈活性，使其適用于各種工作條件。它可以通過減少元件上的應(yīng)力和改善熱管理來提高PFC電路的可靠性。   

混合控制模式在交錯(cuò)式TTP PFC中的實(shí)現(xiàn)方式               

• 滯環(huán)電流控制

在交錯(cuò)式TTP PFC中，實(shí)現(xiàn)混合式TCM/CCM控制模式的關(guān)鍵技術(shù)之一是滯環(huán)電流控制。通過設(shè)定電感電流的上下限，讓電感電流在這個(gè)設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開通，有效降低開關(guān)損耗。這種控制方式響應(yīng)快，能夠逐周期對電流進(jìn)行精確控制，且工作模式切換靈活，可以根據(jù)實(shí)際需求在CCM、TCM或其他模式之間快速切換。但它對電感電流檢測的要求較高。 

• 電流檢測方案

由于滯環(huán)電流控制對電感電流檢測的高要求，電流傳感器需要具備多種特性。它必須具備隔離功能，以確保電路的安全性；能夠進(jìn)行雙向檢測，因?yàn)殡娏鞔嬖谡?fù)方向；具有低損耗特性，以減少對系統(tǒng)效率的影響；實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和OCP保護(hù)，滿足實(shí)時(shí)控制需求；具備高帶寬，以適應(yīng)變頻信號。  

ST目前采用的是一種復(fù)合方案，即將霍爾傳感器與電流互感器（CT）結(jié)合使用。CT主要用于檢測交流高頻成分，即電感電流中的高頻電紋電流部分；霍爾傳感器負(fù)責(zé)檢測工頻成分。兩者采集的信號疊加后，能夠得到反映實(shí)際電感電流的原始信號。此外，ST也在對高帶寬霍爾傳感器進(jìn)行評估，探索更優(yōu)的電流檢測解決方案。   

在硬件層面，ST方案以STM32G474為核心控制芯片，搭配相關(guān)的功率器件，如不同類型的MOSFET等，構(gòu)建起完整的控制電路。STM32G474具備強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)資源，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法提供了硬件基礎(chǔ)。

方案利用STM32G474內(nèi)部的DAC、快速比較器和高分辨率定時(shí)器（HRTIM）實(shí)現(xiàn)滯環(huán)控制、ZVS（零電壓開關(guān)）控制和驅(qū)動(dòng)信號輸出。控制回路包含一個(gè)1kHz運(yùn)行的電壓外環(huán)，主要作用是穩(wěn)定輸出電壓，使其保持在設(shè)定值；一個(gè)40kHz運(yùn)行的電流內(nèi)環(huán)，用于精確控制電感電流。同時(shí)，還引入了輸入和輸出前饋控制，有效防止輸出電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

CCM實(shí)現(xiàn)方式與仿真測試結(jié)果           

進(jìn)入CCM模式有兩種常見的實(shí)現(xiàn)方式，即固定紋波帶和固定開關(guān)頻率。以固定紋波帶為例，如設(shè)定紋波帶為4A，在這種情況下，整個(gè)控制過程是變頻操作。另一種方式是固定開關(guān)頻率，例如設(shè)定為70kHz，此時(shí)需要根據(jù)輸入電壓（Vin）、輸出電壓（Vout）、周期（T）和電感值（L）來計(jì)算電感器紋波。通過仿真，得到了不同方式下的電流波形。目前實(shí)際應(yīng)用中采用的是固定紋波帶的方式。

從測試結(jié)果來看，在2000W（純TCM）、3500W（TCM/CCM混合）、4500W（CCM為主）等不同負(fù)載條件下，電流波形表現(xiàn)良好。例如，在2000W純TCM模式下，電流波形交錯(cuò)良好；3500W混合模式時(shí)，CCM和TCM的切換區(qū)域過渡平穩(wěn)；4500W以CCM為主時(shí)，CCM區(qū)間穩(wěn)定工作。這些結(jié)果充分驗(yàn)證了方案的可行性和有效性，尤其是電流過零部分無明顯畸變，表現(xiàn)理想，對PFC性能的提升效果顯著，為AI服務(wù)器PSU的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠保障。

由此可見，混合式TCM/CCM控制策略在交錯(cuò)TTP PFC中的應(yīng)用，為大功率AI服務(wù)器PSU帶來了性能上的巨大提升。ST針對高功率AI服務(wù)器電源精心打造了專業(yè)設(shè)計(jì)套件，并提供全面的產(chǎn)品組合，充分滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求，為AI服務(wù)器電源的發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。展望未來，該技術(shù)體系有望持續(xù)優(yōu)化，為AI領(lǐng)域發(fā)展筑牢電力根基。

英飛凌：PSU 架構(gòu)中需要混合功率半導(dǎo)體的原因

英飛凌表示，未來PSU中需要硅基、碳化硅和氮化鎵的共同方案，從而在不同場景下充分發(fā)揮器件優(yōu)勢。   

硅基器件的局限性：硅在功率電子領(lǐng)域長期占主導(dǎo)，但它在處理高電壓、電流和頻率方面存在物理限制，已接近理論極限，難以進(jìn)一步提升效率和功率密度。   

寬禁帶器件的優(yōu)勢：SiC和氮化鎵GaN具有更高的品質(zhì)因數(shù)（FoM），在效率和功率密度方面表現(xiàn)更優(yōu)。與硅晶體管相比，GaN 晶體管輸出電荷更低，無體二極管恢復(fù)問題，反向恢復(fù)電荷低，柵極電荷低，溫度系數(shù)低；SiC MOSFET 的反向恢復(fù)電荷低，導(dǎo)通電阻隨溫度變化小，輸出電荷低且更線性，柵極電荷低。   

混合技術(shù)的好處：將 SiC 和 GaN 技術(shù)與現(xiàn)有的硅基設(shè)計(jì)相結(jié)合，能在效率、功率密度和整體性能方面帶來顯著優(yōu)勢。

圖：幾種產(chǎn)品的FOM比較   

英飛凌的創(chuàng)新 PSU 解決方案通過結(jié)合 Si、SiC 和 GaN 技術(shù)的混合組件方法，優(yōu)化了每個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了高功率密度和效率，降低了能源損失和提高了熱性能。這些 PSU 解決方案功率評級為 3kW 至 12kW，基準(zhǔn)效率為 97.5%，適用于下一代 AI 數(shù)據(jù)中心，有助于降低數(shù)據(jù)中心的碳足跡。  

以英飛凌8kW PSU參考設(shè)計(jì)為例：  

無橋圖騰柱 PFC 級：該參考板的無橋圖騰柱 PFC 級采用碳化硅，有助于提高效率和可靠性。無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)淠軌驕p少傳統(tǒng) PFC 拓?fù)渲袠蚴秸髌鞯墓β蕮p耗，從而提升整體效率。比如在滿足 80 Plus 鈦金認(rèn)證（要求端到端峰值效率超過 96%，意味著 PFC 級效率必須高于 98.6% ）時(shí)，傳統(tǒng) PFC 拓?fù)湟驑蚴秸髌鞴β蕮p耗難以達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，而無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)鋬H需一個(gè) PFC 電感，且能在整個(gè)交流周期內(nèi)進(jìn)行升壓操作，可實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率的 PSU 設(shè)計(jì)。   

高頻 LLC 級：高頻 LLC 級采用了 CoolGaN 開關(guān)，其較低的電容特性使得開關(guān)速度更快，能夠減少開關(guān)過程中的能量損耗。在高頻應(yīng)用場景下，GaN 晶體管的這一優(yōu)勢尤為明顯，有助于提高電源的功率密度和整體效率 。在一些高頻電源轉(zhuǎn)換電路中，GaN 晶體管可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)動(dòng)作，降低開關(guān)損耗，進(jìn)而提升整個(gè)電源系統(tǒng)的性能。   

硅功率開關(guān)的應(yīng)用：在 PFC 和 DC - DC 階段的整流環(huán)節(jié)使用硅功率開關(guān)，這是因?yàn)樵谶@些環(huán)節(jié)中開關(guān)損耗極小，而硅功率開關(guān)具有極低的導(dǎo)通電阻，能夠充分利用這一特性來最小化導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提升電源的效率。在實(shí)際的電源設(shè)計(jì)中，通過合理選擇硅功率開關(guān)，可以有效降低整流過程中的能量損失，提高電源的整體性能。   

高效率：達(dá)到 97.5% 的基準(zhǔn)效率。    

低冷卻需求優(yōu)化：設(shè)計(jì)優(yōu)化減少了冷卻工作量。   

高功率密度：功率密度達(dá)到 100W/in3，是 ORv3 規(guī)格的兩倍。高功率密度使得 PSU 在有限的空間內(nèi)可以提供更大的功率輸出。 

納微半導(dǎo)體：碳化硅與氮化鎵混合

納微半導(dǎo)體也表示，硅基電源具有很多局限性。   以 12V、1.5kW 的 CRPS 為例，采用 LLC 拓?fù)湓O(shè)計(jì)需平衡變壓器繞組、同步整流器開關(guān)和導(dǎo)通、電源終端等損耗。提高開關(guān)頻率可減小磁性元件尺寸，但會(huì)增加終端損耗；使用多個(gè)變壓器可避免終端損耗，但會(huì)增大體積。   

頻率限制：市場上 CRPS LLC 轉(zhuǎn)換器典型開關(guān)頻率 100 - 150kHz，1.5kW 服務(wù)器 PSU 開關(guān)頻率達(dá) 600kHz，超出硅功率 MOSFET 實(shí)際極限，需用氮化鎵高電子遷移率晶體管作為同步整流器以滿足 80 PLUS Titanium 效率要求。   

GaN 技術(shù)在電源中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)應(yīng)用優(yōu)勢：GaN 晶體管在高開關(guān)頻率下性能優(yōu)越，納微基于此設(shè)計(jì)出多千瓦 CRPS 參考方案，如 4.5kW、單 54V 輸出、300kHz 開關(guān)頻率的設(shè)計(jì)，滿足 CRPS 185mm 尺寸要求。     不過氮化鎵也會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)，比如GaN MOSFET 柵極電壓范圍為 - 10V - 7V，閾值電壓 1V - 2V ，相比硅 MOSFET 更脆弱。電壓尖峰、振鈴等異常情況易損壞其柵極，如低側(cè)晶體管關(guān)斷時(shí)會(huì)使柵源電壓（VGS）出現(xiàn)負(fù)尖峰，柵極回路電感和高 di/dt 共同作用會(huì)導(dǎo)致 VGS 振鈴，還存在直通電流風(fēng)險(xiǎn)。  

納微的解決方案是將優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器與 GaN HEMT 集成在同一封裝內(nèi)，控制驅(qū)動(dòng)器與柵極間的電感和電阻值，降低柵極回路電感，防止峰值電壓過高；利用封裝內(nèi)集成的保護(hù)功能，簡化電源設(shè)計(jì)。   

結(jié)合 GeneSiC MOSFET，實(shí)現(xiàn)無橋圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）在連續(xù)導(dǎo)通模式下高效運(yùn)行，打造出 4.5kW 的 CRPS185 模塊，功率密度達(dá) 137W/in3 ，遠(yuǎn)超硅基技術(shù)。   另外，納微剛剛宣布與兆易創(chuàng)新GigaDevice達(dá)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，通過將兆易創(chuàng)新先進(jìn)的高算力MCU產(chǎn)品和納微半導(dǎo)體高頻、高速、高集成度的氮化鎵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢整合，打造智能、高效、高功率密度的數(shù)字電源產(chǎn)品，并配合兆易創(chuàng)新的全產(chǎn)業(yè)鏈的管理能力與納微對系統(tǒng)應(yīng)用的深刻理解，加速在AI數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、儲(chǔ)能、充電樁和電動(dòng)汽車商業(yè)化布局。作為戰(zhàn)略合作的重要組成部分，兆易創(chuàng)新還將與納微半導(dǎo)體攜手共建聯(lián)合研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，融合雙方的技術(shù)專長和生態(tài)資源優(yōu)勢，驅(qū)動(dòng)智能、高效電源管理方案的創(chuàng)新升級。

德州儀器：氮化鎵一切都能搞定

GaN 可實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)，這樣可減小無源器件的尺寸，從而增加密度。與硅和碳化硅的相比，GaN 還可降低開關(guān)、柵極驅(qū)動(dòng)和反向恢復(fù)損耗，從而提高電源設(shè)計(jì)效率?？梢允褂?650V GaN FET 進(jìn)行 AC/DC 至 DC/DC 轉(zhuǎn)換，以及使用 100V 或 200V GaN FET 進(jìn)行 DC/DC 轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)電源供應(yīng)。 

針對650V 電源，德州儀器集成 650V TOLL氮化鎵，可以通過 PFC 和 DC/DC 級將交流電源轉(zhuǎn)換為直流總線，德州儀器采用 TOLL 封裝的 GaN 器件可在 PFC 級實(shí)現(xiàn)超過 99% 的效率，在 DC/DC 級實(shí)現(xiàn)超過 98% 的效率。   針對100V至200V GaN，有三個(gè)可能的系統(tǒng)：   

電源單元 (PSU)：開放計(jì)算項(xiàng)目的變化正在提升 48V 輸出的熱度；然而，所需 80V 和 100V 硅解決方案的損耗（柵極驅(qū)動(dòng)和重疊損耗）相較于以前的解決方案有大幅增長。諸如 LMG3100 等 GaN 解決方案有助于盡可能減小電感-電感-電容器級（LLC 級）次級側(cè)同步整流器中的上述損耗。  

中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC)：此系統(tǒng)將 PSU輸出的中間電壓(48V)轉(zhuǎn)換為較低的電壓，然后傳送至服務(wù)器。隨著48V電壓電平的流行，IBC有助于減少服務(wù)器子系統(tǒng)中的I 2R損耗，并使匯流條和電力傳輸線的尺寸和成本都得到降低。IBC的缺點(diǎn)是其在電源轉(zhuǎn)換中又增加了一步，可能會(huì)對效率產(chǎn)生影響。因此，除了 OEM 經(jīng)測試可獲得高效率和高功率密度最佳組合的幾種新拓?fù)渫?，請?wù)必充分利用 LMG2100 和 LMG3100 等高效 GaN 器件。  

電池備份單元：降壓/升壓級通常將電池電壓(48V)轉(zhuǎn)換為總線電壓(48V)。當(dāng)市電線路斷電且電力流為雙向時(shí)，您也可以使用BBU進(jìn)行電池電源轉(zhuǎn)換。不間斷電源之所以使用此級，是因?yàn)樗鼉H通過電池直接執(zhí)行一次直流/直流轉(zhuǎn)換，避免了由直流/交流/直流轉(zhuǎn)換引起的損耗。

英諾賽科——近期與長城電源合作

日前，長城電源表示已在其面向 AI 數(shù)據(jù)中心的鈦金級電源中采用 Innoscience 氮化鎵 (InnoGaN) 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 96% 以上的超高電源轉(zhuǎn)換效率，超越全球最高80PLUS 鈦金級能效標(biāo)準(zhǔn)。   

針對服務(wù)器電源的能耗困局，英諾賽科率先推出采用To-247-4封裝，集成柵極驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)的E-GaN功率IC（ISG612xTD SolidGaN），耐壓700V，Rdson 范圍為 22~59m?。該系列產(chǎn)品集成精密Vgs柵極驅(qū)動(dòng)器，具備快速短路保護(hù)和出色的熱性能，能夠滿足 Titanium Plus 效率的高頻開關(guān)，相比傳統(tǒng)方案，功率密度提高一倍以上。   

OCTC《高功率密度服務(wù)器電源模塊化設(shè)計(jì)白皮書（2024）》顯示，在占服務(wù)器80%運(yùn)行時(shí)間、處于20%-50%的典型負(fù)載區(qū)間時(shí)，氮化鎵鈦金電源轉(zhuǎn)換效率可穩(wěn)定在95.5%-96%以上，有效避免了因 “效率斷層” 導(dǎo)致的隱性能耗。長城服務(wù)器電源率先采用英諾賽科合封芯片 ISG6122TD和ISG6123TD，與傳統(tǒng)電源相比，其輕中載電能損耗可減少至少30%，在20%-50%典型負(fù)載區(qū)間較傳統(tǒng)電源提升達(dá)4個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了超過96%的轉(zhuǎn)換效率。據(jù)測算，采用氮化鎵鈦金電源方案，每萬臺(tái)服務(wù)器每年可節(jié)省電費(fèi)超200萬元，發(fā)熱量減少50%，帶動(dòng)空調(diào)能耗降低18%。有力推動(dòng)智算中心PUE向1.2以下突破，實(shí)現(xiàn)了“節(jié)能 + 散熱”的雙重收益。

總結(jié)

無論是氮化鎵還是碳化硅，目前在AI服務(wù)器領(lǐng)域已經(jīng)逐步成熟，也將越來越得到市場的青睞，尤其是隨著功率密度、效率、尺寸、轉(zhuǎn)換頻率等等一系列需求的增長，未來這一市場還將持續(xù)火熱。  

（冀凱 電子工程世界）

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