氮化镓技术提升数据中心效率 - Convertronic 电子杂志

细节: 类别：集成电路; 2026年10月16日

人工智能的兴起推动了人工智能专用数据中心电力需求的增长，预计到2025年，这一比例将高达50%，而同期全球总电力需求仅增长了3%。这种快速增长还将持续，预计到2030年，这些数据中心的电力消耗量将达到950太瓦时。.

这种增长并非仅仅源于数据中心数量的增加；它们的功率密度也在迅速提高。用于人工智能的最先进GPU（图形处理器）的功耗超过1千瓦，相比上一代的500瓦有了显著提升。这些组件更高的功率需求，加上每个机架中GPU数量不断增加的压力，使得单个机架的功耗高达1兆瓦。.

考虑到虽然这类机架的尺寸与大型冰箱相当，但预计到 2027 年，单个机架的耗电量将相当于 65 户家庭的耗电量，就可以看出这类机架的功率密度非常高。.

这种能源需求推动了配电网络和所需电源的演进。英伟达不再依赖数据中心内通过 48V 电源总线安装的交流配电系统，而是提出采用 800V 直流电源为数据中心内的 AI 服务器供电。这需要设计新型、更小巧、更高效的电源，以减少损耗。.

这些趋势对数据中心的电力分配和转换产生了巨大影响。分配千兆瓦级电力的需求要求降低损耗并提高电源效率。即使效率仅提高几个百分点，从 97% 提升到 99%，也能显著降低能耗，从而节省运营成本并带来环境效益。更高的效率还意味着所需的冷却更少，从而节省水和介电材料，并允许使用更小的电源系统。新的封装技术还可以简化冷却系统设计，进一步缩小电源尺寸，并使机架中能够安装更多 GPU。.

氮化镓 (GaN) 技术由于其开关频率高于其他半导体技术，因此有可能在更小的面积内实现更高的效率。.

然而，采用这项技术并非像直接替换电源中的硅器件那样简单。GaN器件需要更复杂的栅极控制，其电压范围在-3V到+6V之间。这意味着需要使用具有更复杂时序的不同器件驱动器。.

ICeGaN

在低导通电阻 (RDS(on)) 的 650 GaN 晶体管上添加栅极接口，可以大大简化该器件在 AI 服务器电源设计中的应用。这样就可以使用偏置电压为 12 V 至 15 V 的标准 MOS 驱动芯片来驱动 GaN 晶体管。.

由剑桥氮化镓器件公司 (CGD) 开发的 ICeGaN® 技术，将接口集成到与增强型 HEMT 晶体管相同的衬底上，而非采用级联配置中的独立硅 MOSFET 或同一封装内的硅集成电路。在同一芯片上实现接口，可以实现优化的低剖面封装，并降低电感，这对于降低损耗和提高功率转换器的效率至关重要。.

ICeGaN器件集成了一个辅助栅极HEMT，该辅助栅极HEMT连接至外部栅极输入端，并在增强模式下为主HEMT提供稳定的内部栅极偏置。这意味着ICeGaN器件可在约9V至20V的栅极偏置下进行控制，并能安全地承受更高的瞬态电压。此外，它们还将表观阈值电压（VTH）提高到约3-4V，从而增强了栅极噪声抑制能力。.

ICeGaN 器件中还集成了一个米勒钳位电路，用于在 HEMT 不导通时提供强大的降压升压。这使得设计人员无需在器件应处于此模式时提供负栅极电压来保持其关闭状态。米勒钳位电路还能通过吸收更陡峭的 dV/dt 斜率来拓宽安全工作区 (SOA) 并提高栅极可靠性。这使得无需额外的负电压轨即可提高开关速度。通过利用导通控制期间的栅极电阻变化，设计人员可以根据应用需求控制 ICeGaN 的开关速度，从而在电磁干扰 (EMI) 和开关损耗之间取得平衡。.

AI工作负载的动态GPU功耗会导致负载出现大幅快速波动，而这些波动无法回馈到交流电网。为防止这种情况发生，AC/DC转换链的每个阶段都必须能够处理瞬态负载，并包含足够的本地储能装置来平滑相应的功率波动。.

这涉及到根据峰值负载而不是平均负载来确定组件尺寸和热设计，以确保 800V DC/DC 转换器能够在短时间内提供更高的电压，而不会遭受过大的压力或失去调节能力。.

当外栅极电压超过约 1.5 V 时，功率 HEMT 内栅极电压开始升高。正是由于这一额外的阈值，ICeGaN 在分立增强模式下才能提供比传统 GaN 更高的阈值电压（2.9 V）。.

GaN HEMT器件的主要优势之一是其极低的栅极负载和无结构二极管的开关性能，因此在切换到截止状态时几乎没有损耗。由于米勒阻挡层在0 V时即可关闭器件，ICeGaN器件不会像其他GaN器件那样出现较高的反向导通损耗。更重要的是，通过接地器件，可以显著改善器件的散热性能，从而实现更小的器件尺寸和更低的工作温度。.

封装

降低封装的热阻可带来诸多优势。在相同的导通电阻 (RDS(on)) 下，可提供更多功率；在相同功率输出下，器件可在更低的温度下运行，从而可以使用更小、更轻的散热器，进而降低系统成本。更低的运行温度还能提高可靠性、延长使用寿命，并缩小人工智能机架中电源的尺寸。.

CGD 开发的 BHDFN-9-1（底部散热 DFN）封装采用底部散热设计，并具有易于检查的润湿边缘。它利用更厚的引线框架进行散热，热阻为 0.28 K/W，该值与其他器件相当或更高。BHDFN 封装尺寸为 10 x 10 mm，比常用的 TOLL 封装更小，但占用空间相近，因此更易于使用。.

与分立式GaN器件不同，ICeGaN器件有一个额外的引脚用于为其内部电路供电，该引脚被指定为引脚1；栅极为引脚2，开尔文源极（KS）为引脚3。在TOLL封装中，栅极为引脚1，KS为引脚2。这有利于开发通用且兼容的布局，在这种情况下，TOLL器件会被移到一边，以避免连接到ICeGaN布局中的电源端。这使得TOLL器件几乎可以直接被ICeGaN器件替代。.

采用氮化镓器件的800V功率转换系统设计

一种常用的数据中心供电拓扑结构是采用 ISOP（输入串联，输出并联）配置的堆叠式半桥谐振转换器，它使用 650V GaN 器件将 800VDC 输入转换为直流输入。当转换器模块必须靠近 GPU 和 CPU 板时，扁平变压器和先进的磁集成技术对于提供紧凑、低剖面的功率级至关重要。.

800V分布式电源网络已开始采用500-800kHz范围内的开关频率，并有针对人工智能服务器应用的参考设计。随着氮化镓（GaN）技术的广泛应用，人们正大力推动1MHz及以上频率的发展，以进一步提高功率密度并缩小磁性元件的尺寸，前提是能够在更高的频率下保持效率和电磁干扰（EMI）水平。.

安全

安全性是 800 VDC DC/DC 架构的基本方面，因此在设计时需要考虑其他因素。.

在 800 VDC 电压下，必须加强绝缘，与低电压母线结构相比，需要增加空气间隙和爬电距离。±400 VDC 系统在中点处采用高阻或直接接地连接至保护地，因此其绝缘爬电距离比采用简单端接的 800 V 系统更短。.

热插拔和电子熔断器功能通常与分布式电源板上的 800 VDC 级集成在一起，以便尽可能靠近每个机架的电源来控制电流尖峰、过载和故障的隔离。.

800V DC/DC转换器通常也采用开环LLC电路设计，控制器位于次级侧，而初级侧仅进行有限的检测。这意味着初级侧需要具备瞬态电流和异常状态检测等保护功能，以安全地处理输入故障。.

如果发生故障，800VDC DC/DC 转换器的设计必须严格控制功率，以防止烟雾和火灾蔓延到 GPU 板或其他组件，从而保护系统正常运行时间和硬件完整性。.

一个现实生活中的例子

为了展示HEMT ICeGaN器件所能实现的高功率密度和高效率，我们构建了一个3 kW、400 V至50 V的半桥模块原型。该模块采用CGD P2器件，其平面变压器初级侧导通电阻为25 mΩ。该模块峰值效率达到98.7%，满载效率为97.5%。.

模块化架构便于并联配置，以满足高功率直流/直流应用中更高功率等级（例如 6 kW 或 12 kW）的需求。交错模块间的相位切换可优化系统在各种负载下的整体效率。.