英偉達(dá)帶頭沖鋒800V直流，功率芯片廠商迎來(lái)新機(jī)遇

在 OCP 全球峰會(huì)上，英偉達(dá)（NVIDIA）聚焦于千兆瓦級(jí) AI 工廠的未來(lái)發(fā)展，帶來(lái)一系列前沿技術(shù)與創(chuàng)新成果展示，其中 800V 直流（VDC）技術(shù)成為一大亮點(diǎn)，引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心能源架構(gòu)變革。

相較于傳統(tǒng) 415 或 480V 交流（VAC）三相系統(tǒng)，800V 直流架構(gòu)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。從物理傳輸層面來(lái)看，相同的銅線纜在 800V 直流下可傳輸超過 150% 的功率，以往單個(gè)機(jī)架供電所需的 200 公斤銅母線可以大幅減少，為客戶節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元成本。

在數(shù)據(jù)中心實(shí)際應(yīng)用中，800V 直流架構(gòu)提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，讓數(shù)據(jù)中心能夠輕松應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的算力需求；其更高的能源效率，減少了電力傳輸過程中的損耗，契合當(dāng)下綠色節(jié)能的趨勢(shì)；同時(shí)，降低了材料使用量，優(yōu)化了成本結(jié)構(gòu)，并且為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)更高的性能容量。實(shí)際上，電動(dòng)汽車和太陽(yáng)能行業(yè)早已因類似效益采用 800V 直流基礎(chǔ)設(shè)施，如今，數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域也正迎來(lái)這一變革浪潮。

富士康積極響應(yīng)，公布了為 800V 直流打造的 40 兆瓦臺(tái)灣高雄 1 號(hào)數(shù)據(jù)中心；CoreWeave、Lambda 等 20 多家行業(yè)先驅(qū)也紛紛投身 800V 直流數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)。此外，Vertiv 推出了節(jié)省空間、成本和能源的 800V 直流 MGX 參考架構(gòu)，惠普宣布支持相關(guān)技術(shù)，共同完善 800V 直流生態(tài)。

20 多家 NVIDIA 合作伙伴正在幫助提供符合開放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架服務(wù)器，助力未來(lái)的千兆瓦級(jí) AI 工廠。

芯片提供商：亞德諾半導(dǎo)體（Analog Devices, Inc.，ADI）、AOS、宜普電源轉(zhuǎn)換（EPC）、英飛凌（Infineon）、 Innoscience、芯源系統(tǒng)（MPS）、納微半導(dǎo)體（Navitas）、安森美（onsemi）、Power Integrations、瑞薩（Renesas）、立锜科技（Richtek）、羅姆（ROHM）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）和德州儀器（Texas Instruments）

電源系統(tǒng)組件提供商：BizLink、臺(tái)達(dá)（Delta）、偉創(chuàng)力（Flex）、GE Vernova、領(lǐng)益科技（Lead Wealth）、光寶科技（LITEON）和麥格米特（Megmeet）

數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)提供商：ABB、伊頓（Eaton）、GE Vernova、Heron Power、日立能源（Hitachi Energy）、三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）、施耐德電氣（Schneider Electric）、西門子（Siemens）和 Vertiv。

其中，包括中國(guó)大陸及臺(tái)灣地區(qū)的合作伙伴數(shù)量不少，特別是英諾賽科成為了本土芯片行業(yè)唯一一家合作伙伴，另外也有包括PI等公司新進(jìn)加入到了生態(tài)系統(tǒng)中。

英諾賽科——唯一氮化鎵IDM

作為業(yè)內(nèi)唯一的全棧氮化鎵供應(yīng)商及領(lǐng)先的氮化鎵IDM企業(yè)，英諾賽科是唯一實(shí)現(xiàn)1200V至15V氮化鎵量產(chǎn)的公司，可提供從800V到1V的全鏈路解決方案。這使英諾賽科成為唯一有能力為所有轉(zhuǎn)換階段提供全GaN功率解決方案的供應(yīng)商，從容應(yīng)對(duì)未來(lái)架構(gòu)為滿足更高功率需求的演變。

英諾賽科官方表示，基于48V電壓的傳統(tǒng)人工智能系統(tǒng)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——效率低下、銅耗過高，超過45%的總功耗耗費(fèi)在散熱上。未來(lái)的人工智能集群（如搭載超過500塊GPU的機(jī)架）若沿用舊式PSU電源設(shè)計(jì)，將無(wú)空間容納計(jì)算單元。800 VDC架構(gòu)正是支持系統(tǒng)從千瓦級(jí)躍升至兆瓦級(jí)的解決方案。

除了向800V機(jī)架電源過渡外，該架構(gòu)還要求在800V到1V的電壓轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)超高功率密度和超高效率。只有氮化鎵功率器件（GaN）能夠同時(shí)滿足這些嚴(yán)苛要求。

為滿足800 VDC的功率密度要求，電源開關(guān)頻率必須提升至近1MHz，以縮小磁性元件和電容器的尺寸。現(xiàn)有機(jī)架式電源的典型開關(guān)頻率最高約300kHz，如果提升至1MHz可使磁芯尺寸縮減約50%。

英諾賽科第三代氮化鎵技術(shù)具備決定性優(yōu)勢(shì)：

在800V輸入側(cè)，英諾賽科氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）相比在每個(gè)開關(guān)半周期內(nèi)可降低80%的驅(qū)動(dòng)損耗和50%的開關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)整體功耗降低10%。

在54V輸出端，僅需16顆英諾賽科氮化鎵器件即可實(shí)現(xiàn)與32顆硅MOSFET相同的導(dǎo)通損耗，不僅將功率密度提升一倍，還使驅(qū)動(dòng)損耗降低90%。

與現(xiàn)有機(jī)架架構(gòu)中的硅MOSFET相比，800 VDC的低壓電源轉(zhuǎn)換階段采用氮化鎵材料可將開關(guān)損耗降低70%，并在相同體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率輸出提升40%，大幅提升功率密度。

基于氮化鎵的低壓功率級(jí)可擴(kuò)展以支持更高功率的GPU型號(hào)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到提升，同時(shí)降低了電路板上的電容成本。

Power Integrations——業(yè)界唯一1700V氮化鎵供應(yīng)商

Power Integrations產(chǎn)品開發(fā)副總裁Roland Saint-Pierre表示：“隨著人工智能對(duì)電力需求的不斷增長(zhǎng)，采用800VDC輸入方案可簡(jiǎn)化機(jī)架設(shè)計(jì)、提高空間利用效率并減少銅材用量。隨著機(jī)架電力需求的不斷攀升，我們認(rèn)為1250V和1700V PowiGaN器件是主電源和輔助電源的理想選擇，它們能夠滿足800VDC數(shù)據(jù)中心所需的效率、可靠性和功率密度要求。”

Power Integrations的InnoMux2-EP IC，它是適用于800VDC數(shù)據(jù)中心輔助電源的獨(dú)特解決方案。InnoMux-2器件內(nèi)集成的1700V PowiGaN開關(guān)支持1000VDC輸入電壓，其SR ZVS工作模式在液冷無(wú)風(fēng)扇的800VDC架構(gòu)中可為12V系統(tǒng)提供超過90.3%的效率。

市面上大部分制造商提供的商用器件通常具有低于200V的額定耐壓，或其額定耐壓介于600V至650V之間。在650V以上電壓領(lǐng)域，僅有少數(shù)制造商推出了900V額定耐壓的GaN HEMT。基于硅襯底的商用GaN HEMT技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)900V以上的電壓擴(kuò)展，因?yàn)檫@需要極厚的緩沖層，從而帶來(lái)顯著的工藝挑戰(zhàn)。

因此，需要額定耐壓1200V及以上寬禁帶功率器件的應(yīng)用一直受限于使用SiC開關(guān)器件。然而，與SiC相比，GaN能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，在保持高效率的同時(shí)，為滿足AI數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用日益增長(zhǎng)的功率密度需求提供了可行路徑。Power Integrations采用其專有PowiGaN技術(shù)制造的GaN HEMT具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可在實(shí)際器件中實(shí)現(xiàn)極高額定耐壓（高達(dá)1700V），使其成為替代1200V SiC器件及更高電壓器件的現(xiàn)成且極具吸引力的選擇。

為在800VDC母線應(yīng)用中充分發(fā)揮GaN的優(yōu)勢(shì)，通常會(huì)采用兩個(gè)650V GaN器件進(jìn)行串聯(lián)堆疊的半橋結(jié)構(gòu)，共計(jì)使用四個(gè)650V GaN器件。雖然這種堆疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在GaN所能達(dá)到的高頻下工作，但它帶來(lái)了若干挑戰(zhàn)，包括控制復(fù)雜性增加、輸入電壓不平衡導(dǎo)致的可靠性風(fēng)險(xiǎn)、占用空間增大以及導(dǎo)通損耗增加，從而導(dǎo)致效率降低和成本上升。相比之下，在此應(yīng)用中采用1250V額定耐壓的PowiGaN開關(guān)，不僅能顯著簡(jiǎn)化功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更能充分利用GaN的特性——正是這些使其成為理想的高頻功率開關(guān)。

利用1250V的PowiGaN共源共柵開關(guān)，電源設(shè)計(jì)人員可以非常放心地明確其設(shè)計(jì)可以工作于1000V的峰值VDS，同時(shí)滿足80%的行業(yè)降額標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于工作峰值VDS超過1000V且高達(dá)1360V的應(yīng)用場(chǎng)景，采用1700V PowiGaN共源共柵開關(guān)可讓用戶設(shè)計(jì)出同樣高效的電源方案，但此時(shí)卻是在更高的電壓下工作。

上圖顯示了Power Integrations的共源共柵架構(gòu)示意圖。1250V/1700V GaN HEMT是一款基于Power Integrations的專有PowiGaN技術(shù)制造的常開、耗盡型器件。它與低壓硅MOSFET串聯(lián)，形成共源共柵結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)有效的常關(guān)操作，這對(duì)于電力電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。耗盡型GaN器件被認(rèn)為具有極高的可靠性，因?yàn)樗鼈儫o(wú)需p型GaN柵極層。因此，它們避免了閾值電壓漂移及相關(guān)的不穩(wěn)定性問題，確保了長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

PI對(duì)比了采用650V增強(qiáng)型GaN器件與1250V PowiGaN器件的800VDC、12.5V輸出固定比的LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比。由于采用了快速開關(guān)的GaN器件，這兩種方案都可以在800VDC輸入下以超過500kHz的高頻率進(jìn)行工作。不過，對(duì)于650V堆疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將帶來(lái)若干挑戰(zhàn)：

輸入電壓不平衡：正常工作期間的輸入電壓不平衡必須得到妥善控制。如果半橋之間出現(xiàn)不平衡，GaN器件兩端的應(yīng)力電壓可能會(huì)超過預(yù)期的約400V。在這種較高的電壓應(yīng)力下，由于HEMT的2DEG通道內(nèi)的電流捕獲效應(yīng)，動(dòng)態(tài)RDS(ON)退化將變得更加明顯。這些限制凸顯了在800VDC輸入系統(tǒng)中采用650V增強(qiáng)型GaN堆疊結(jié)構(gòu)時(shí)存在的可靠性與效率風(fēng)險(xiǎn)。

復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：堆疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，特別是在柵極驅(qū)動(dòng)電路中。每個(gè)半橋都需要專用上管驅(qū)器及隔離偏置電源，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)成本、占用空間和設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

效率較低且成本較高：采用具有相同RDS(ON)的GaN器件時(shí)，與1250V PowiGaN單管半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，堆疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更高的導(dǎo)通損耗。這意味著1250V PowiGaN設(shè)計(jì)可采用RDS(ON)值高出2倍的器件，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)相同的整體效率和損耗特性。

另外，與具有近似RDS(ON)的1200V SiC MOS相比，1250V PowiGaN可以實(shí)現(xiàn)更高頻率的LLC，從而實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)密度。

德州儀器——最全的產(chǎn)品組合

針對(duì)800V電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)，德州儀器可以提供氮化鎵（GaN）功率級(jí)、數(shù)字電源控制器、多相降壓穩(wěn)壓器、DC/DC 負(fù)載點(diǎn)降壓轉(zhuǎn)換器、熱插拔控制器、隔離柵極驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品，支持 800VDC 架構(gòu)下的高效高密度電源轉(zhuǎn)換。

目前，800VDC存在著兩種轉(zhuǎn)換架構(gòu)，一種為三段轉(zhuǎn)換架構(gòu)（800V→50V→12.5V/6.25V→<1V）：800V 經(jīng) 16:1 IBC 轉(zhuǎn)換為 50V（效率 98%），再經(jīng) 4:1 IBC 轉(zhuǎn)換為 12.5V（效率 98%），最后通過多相降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為核心電壓（效率 92%），整體峰值效率約 88%。

可變方案為：將 4:1 IBC 替換為 8:1 IBC（50V→6.25V，效率約 97.5%），多相穩(wěn)壓器效率提升至 92.5%，整體效率仍約 88%，且更低輸入電壓可支持更高開關(guān)頻率，減小尺寸、改善瞬態(tài)性能并支持背面安裝。

另外一種架構(gòu)是兩段轉(zhuǎn)換架構(gòu)（800V→12.5V/6.25V→<1V）：

64:1 IBC 方案：800V 經(jīng) 64:1 IBC 直接輸出 12.5V（效率 97%），搭配多相穩(wěn)壓器（效率 92%），整體效率約 89%，可省去 4:1 IBC，節(jié)省尺寸和成本。

128:1 IBC 方案：800V 經(jīng) 128:1 IBC 輸出 6.25V（效率 96.5%），多相穩(wěn)壓器效率 90%，整體效率約 89%，但存在大電流挑戰(zhàn)（6.25V 時(shí)電流達(dá) 2.4kA-3.2kA），需大尺寸導(dǎo)體（如母線）和多模塊并聯(lián)以控制電路板損耗。

德州儀器表示，800VDC 架構(gòu)下，兩階架構(gòu)效率更高，功率密度也更大，但中高轉(zhuǎn)換比 IBC 的大電流輸出導(dǎo)致電路板損耗控制困難，需采用多模塊并聯(lián)。

總體而言，電源芯片需要越來(lái)越高的能量轉(zhuǎn)換效率（降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本、減少熱損耗及空調(diào)開銷）、小尺寸（電源組件占用電路板空間有限）、高可靠性及滿足多相穩(wěn)壓器和負(fù)載點(diǎn)降壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)等性能要求。

結(jié)尾

實(shí)際上，在NV公布800V生態(tài)系統(tǒng)之后的這段時(shí)間，正在納入越來(lái)越多的合作伙伴，其中氮化鎵的需求增長(zhǎng)迅速。人工智能工作負(fù)載的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)正在重塑數(shù)據(jù)中心格局，對(duì)功率密度、效率和可擴(kuò)展性產(chǎn)生了前所未有的需求。傳統(tǒng)的硅基電力電子器件和 54 伏架構(gòu)已無(wú)法滿足下一代 AI 工廠對(duì)數(shù)兆瓦級(jí)電力的需求。從電網(wǎng)直接到 GPU 的 800 伏直流架構(gòu)轉(zhuǎn)型，標(biāo)志著一個(gè)根本性的轉(zhuǎn)折點(diǎn) —— 它支持兆瓦級(jí)機(jī)架功率傳輸，大幅降低銅材與散熱成本，并顯著提升系統(tǒng)整體效率。

歡迎將我們?cè)O(shè)為“星標(biāo)”，這樣才能第一時(shí)間收到推送消息。

關(guān)注EEWorld旗下訂閱號(hào)：“汽車開發(fā)圈”

回復(fù)“DS”領(lǐng)取《DeepSeek:從入門到精通》完整版資料

掃碼添加小助手回復(fù)“進(jìn)群”

和電子工程師們面對(duì)面交流經(jīng)驗(yàn)