jiuyou.com-800V AI算力时代，GaN从“备选”变“刚需”？

【导读】AI算力正以每一3.4个月翻一番的速率狂飙，全世界数据中央用电量连续爬升，估计到2030年将占全世界耗电量的7%，电力已经成为制约AI财产成长的焦点瓶颈。单机柜功率从传统的5-8kW跃升至数百kW，GPU功耗不停冲破上限，供电链路的损耗、散热压力与空间占用，成为算力扩张路上绕不开的难题。

行业火急需要一场供电架构革命，去年5月，英伟达率先给出了谜底——自2027年起鞭策机架电源从54V直流周全转向800V高压直流架构，以支撑单机架功率超1MW的下一代超年夜范围AI算力部署。

800V架构的焦点价值，是经由过程晋升母线电压年夜幅降低传输损耗，同时将PSU集中部署开释机排挤间给计较装备，让每一一寸空间都办事在算力。

但这一厘革对于功率器件提出了高压、高频、高密度的严苛要求，传统Si器件于高频场景下损耗高、体积年夜，SiC虽能应答高压，却于开关速率与反向恢复特征上存于短板，而GaN 依附质料物理上风，刚好破解了Si与SiC都难以解决的焦点痛点。

GaN拥有极高的电子迁徙率，可实现极快开关速率，且具有零反向恢复电荷，能于极小空间内实现超高效率转换，完善适配800V架构下高密度、高效率的供电需求，成为AI数据中央供电进级的最优解。这也注释了为何于800V高压直流AI数据中央架构中，中间总线转换器成了GaN的甜美点。

为了厘清GaN于数据中央的真实运用场景与不成替换的焦点价值，与非网主阐发师夏珍，特邀英飞凌科技高级副总裁、氮化镓营业卖力人Johannes Schoiswohl博士睁开深度对于话。本文将以工程师视角，层层拆解、体系剖析。

图 | 英飞凌科技高级副总裁、氮化镓营业卖力人Johannes Schoiswohl博士

01

GaN的承认，始在PSU

GaN详细部署于哪些环节？让咱们沿着从电网到GPU的供电链路，一一来看。

传统上，GaN于电源单位（PSU）中的体现已经备受承认。于当前主流架构中，PSU完成交流到直流的转换，输出48V母线电压，再颠末中压中间母线转换器（IBC）降至12V，末了由负载点转换器（PoL）为GPU、CPU、内存等芯片就近供电。

这套链路里，PSU被安设于机架内部，是整个供电体系的第一道转换关隘，既要不变输出48V母线电压，又要于机架有限空间内节制损耗与发烧。

恰是于如许的工程约束下，GaN依附高频、低损耗、小尺寸的综合上风，率先于PSU场景中站稳脚根，成为行业公认的高效电源进级方案。也让数据中央范畴第一次年夜范围验证了GaN于年夜功率供电场景下的靠得住性与性价比。

到了800V HVDC架构，环境发生了底子性变化。今朝重要有两条技能路径预设：方案A将PSU移至机架侧挂的外挂式集中供电单位（Power Sidecar）中，输出800V直流，再经由高压IBC降至48V，然后接入中压IBC及PoL；方案B则采用固态变压器（SST）替换了传统的工频变压器，直接将13.8kV交流电一步转换为800V直流，再由高压IBC一步转换至12V甚至更低。

于这套体系中，PSU与SST的定位已经经及传统架构彻底差别，GaN的脚色也随之从头界说。

于方案A的Power Sidecar集中式PSU里，由于部署于机架外部、空间与散热前提相对于宽松，且以三相年夜功率、高效率为焦点方针，这里其实不是GaN的主场，更可能是SiC与高端Si器件阐扬上风的场景。

而SST需要以高频化、模块化的方式实现高压交流电到800V直流电的直接转换，对于器件的高频特征、开关损耗、功率密度提出了远高在传统工频变压器的要求，以是SST的高压前端将以SiC为主流选择。与此同时，跟着架构向更高频率、更高集成度演进，GaN 则会于 SST 以后高压转中压的 IBC等要害环节成为刚需，这一点咱们会于后续内容中进一步睁开会商。

再往前看一步，单级AC-DC架构正于成为一种趋向。 这类架构依靠一种称为“轮回转换器拓扑”的新型电路，其焦点器件是高压GaN双向开关。

英飞凌已经经量产这种产物，将两个违对于违开关单片集成于一颗器件里，这是只有GaN工艺才能实现的一体化设计。改用单级转换后，体系从传统PFC+DC-DC双级架构精简为一级转换，体积更小、效率更高、元器件数目更少，靠得住性也随之晋升。

不外要明确的是，英飞凌这款高压GaN双向开关今朝的主力落地场景并不是仅针对于AI数据中央，而是将率先于光伏微型逆变器、储能体系、车载充电器OBC等范畴实现商用，也是这些场景于鞭策单级架构快速成熟。而于AI数据中央侧，单级AC-DC仍处在前瞻拓扑摸索阶段，但对于在功率等级跨越10kW的AI及企业级办事器来讲，这扇门已经经打开。

02

不止在PSU，

GaN正于向BBU及IBC延长

“GaN真正成为刚需、不成替换的位置，还有是集中于办事器板上高压IBC、中压IBC、电池备份单位（BBU）这些对于高频、高密度、年夜降压比最敏感的环节，这也是GaN于AI数据中央供电里最确定、最主流的价值地点。” Johannes坦诚道。

这象征着，如今GaN于数据中央的运用已经再也不局限在PSU。

于传统架构中，BBU饰演着要害脚色。当交流电网呈现妨碍、发机电还没有启动的那几分钟里，BBU需要为整机架GPU提供不间断供电，保障算力不中止、营业不失线。

如今GPU功耗不停爬升，BBU需要支撑的功率也随之激增，可机架内留给它的安装空间却始终固定，没有任何扩容余地。想要于稳定的体积内容纳更年夜备电能力，独一路子就是放入更多的电池电芯——这象征着留给DC-DC转换级的空间更少了。

对于此，Johannes暗示：“想要于更有限的空间里实现更高功率转换，就必需晋升开关频率，以此缩小电容、电感等被动元件的体积，同时又不克不及带来分外的温升与损耗。面临这类既要晋升功率、又要压缩尺寸、还有要严控发烧的多重约束，GaN刚好成为最贴合需求的抱负选择。”

“特别BBU遍及采用起落压转换器架构，GaN依附高频低损耗、零反向恢复电荷的特征，能于晋升频率的同时节制发烧，让更小体积的转换电路实现更高效率。英飞凌也针对于这一场景推出了局部功率电池备份单位拓扑，可进一步开释BBU的功率密度潜力。”

对于在中压IBC环节，挑战是近似的，而GaN的利用能将转换效率推至当前技能的最优程度。

Johannes举例道：“以一个5kW机架为例，所有供电都必需颠末IBC，借助英飞凌采用的交错式转换器拓扑，比拟传统Si器件，GaN可将该环节的转换效率晋升1%，对于应转换损耗直接降低30%。”

Johannes尤其提到，中压GaN的市场价值今朝是被低估的，于100V及80V这两个电压等级中，没有Si器件能与之对抗。于一样的5妹妹x6妹妹行业尺度封装下，100V GaN的芯单方面积险些是Si的一半，栅极电荷小70%，输出电荷一样年夜幅削减，并且没有反向恢复电荷。英飞凌还有于统一封装内集成为了整流二极管，正向压降很是小。

“于每一个利用100V器件的运用中，利用GaN城市获得更好的体系解决方案。”Johannes说。不外，跟着中国市场于呆板人、无人机等范畴的快速推进，中压GaN的采用有望加快，市场上后续也会推出60V及40V的细分产物。

到了800V架构，BBU的需求也发生了变化。 采用高压电池组直接输出800V直流，对于GaN的耐压要求随之晋升。传统单向方案已经没法满意体系对于双向能量流动、高密度与高靠得住性的要求，高压双向开关（BDS） 就此成为要害支撑。

面向这一场景，英飞凌 CoolGaN™ BDS 提供了可工程化的实现路径。这款高压 GaN 双向开关采用共漏极设计与双栅极布局，基在成熟靠得住的栅极注入晶体管（GIT）技能，可以或许于统一漂移区内实现双向电压阻断，用单颗器件完成传统违靠违方案的功效。

比拟违靠违分立方案，CoolGaN™ BDS于芯单方面积、导通与开关损耗、寄生电感上都具有较着上风，更合适800V高压、高功率密度、有限空间下的BBU设计。

Johannes夸大，CoolGaN™ BDS的落地不是一个小前进，而是一项要害立异——“它的主要性及新奇性堪比昔时的CoolMOS™。”于共同高压PPC拓扑的环境下，还有可以进一步优化BBU的功率密度。

而对于在高压IBC这一新兴运用，Johannes吐露，基在英飞凌新一代GaN的电源方案可实现98.2%-98.5%的峰值效率，即便于20%轻载前提下，效率仍能不变连结于97%以上。这类全负载区间的高效体现，恰是AI数据中央客户降低总拥有成本的焦点诉求。

03

从Si到GaN迁徙，

工程师面对挑战

讲了这么多GaN的须要性及上风，咱们不能不面临一个实际问题：工程师将GaN器件集成到原本为Si设计的体系中时，会碰到哪些挑战？

Johannes认为，最年夜的挑战不是GaN器件自己有多灾用，而是设计需要时间，而工程师凡是没有那末多时间。

Johannes指出，体系工程师于运用GaN器件时，必需起首解决几个基础性问题——PCB结构必需极其干净，寄生电感到尽可能消弭，特别是栅极回路中的寄生参数。简朴地将体系中的Si器件直接替代为GaN器件，仅调解栅极驱动电压，这类做法凡是难以见效。缘故原由于在体系中寄生参数过量，致使开关频率没法晋升到充足高的程度，从而没法阐扬拓扑布局的潜于上风。

与Si及SiC器件比拟，GaN器件的阈值电压更低、开关速率更快，是以对于噪声耦合更为敏感。以是，只有从体系设计的初始阶段就针对于GaN器件举行架构优化，才能真正开释其机能潜力。

此外，于热治理方面，利用GaN器件后环境也会发生变化。

Johannes指出，于传统功率体系中，半导体（Si MOS）凡是是板子上最热的点，散热全都围着它做。但采用GaN方案以后，即便于更高的开关频率下，器件自身的发烧反而年夜幅降低，热量再也不集中在芯片，而是更匀称地漫衍于整个体系中。

这象征着已往集中冷却半导体器件的计谋需要调解，转而面向整个体系举行匀称散热。有客户于现实运用中反馈，利用GaN方案后，最热的器件酿成了磁性元件。

这也引出了对于磁性元件的从头思索。当开关频率晋升到700kHz、800kHz甚至MHz以上时，工程师必需寻觅适合的磁性元件，并与供给商确认它们可否蒙受云云高的开关频率。扫码答复“AI”进专属社群

04

范围化，

是GaN的下一个关隘

GaN很好，但为何GaN范围化普和的进度没有想象中快？

除了了以上提到的体系运用挑战外，最年夜的拦路虎还有是价格问题。持久以来，GaN受限在质料成本偏高、制造工艺更繁杂，叠加硅基器件持久形成的范围效应，价格一直显著高在传统Si器件。只管GaN于体系端已经经充实验证了效率、体积与总拥有成本上风，但想要进一步打开更广漠的市场，连续的成本下探仍是要害驱动力。

图 | 英飞凌300妹妹 GaN

技能Johannes 暗示，英飞凌正经由过程范围化制造破解成本难题，此中最焦点的举措，就是推进全世界首款300妹妹 GaN功率晶圆的量产。比拟传统规格，单片晶圆的芯片产出量可晋升至本来的2.3倍，直接鞭策GaN成本向硅基器件快速接近。他还有吐露，英飞凌规划于来岁年末启动300妹妹 100V GaN器件的量产，今朝首批样品已经完成流片，正交由互助伙伴与客户举行验证测试。

05

写于末了

回到最初的问题：当AI数据中央迈入800V供电架构时代，为何必需用GaN？

谜底已经经清楚。AI数据中央正朝着更高功率、更小形状尺寸的标的目的演进，而工程师们真正想要的是于计较板长进行计较，而不是一堆供电的工具。供电部门需要尽可能小，抱负环境下险些彻底消散——实现这一方针的独一要领是提高频率并缩小尺寸。

这偏偏是GaN的完善用武之地。