Michael A. de Rooij 和 Alejandro .P. Pozo

本文发表于 EEPower。

人工智能如今正风靡全球，其影响力只会持续扩大。当下真正的挑战在于如何以最优效率满足不断增长的能源需求。NVIDIA 最近发布的一份白皮书¹指出，结合储能解决方案的 800 V 直流架构是一种满足当前及未来 AI 服务器基础设施需求的可行替代方案。这类系统所需的供电功率将以兆瓦计，而不仅仅是千瓦。实现这一目标的关键技术是 GaN。EPC 与 NVIDIA 合作，开发了一款具备成本效益、超薄型的 800 VDC 至 12.5 VDC 转换器²，可提供高达 6 kW 的功率。该设计采用了 EPC 最新的 150 V 和 40 V GaN 器件^3,4，整体占板面积仅 5,000 mm²，总厚度仅为 8 mm。该设计展示了 GaN FET 如何在保持低成本的同时，实现高效率与高功率密度的结合，目标是在满载条件下达到 97% 的效率。

服务器电气基础设施

当前的人工智能系统在同一机架内（GPU 和 CPU 所在位置）通常需要经历四个电源转换阶段——从交流电网一直到核心电压。前两个阶段（交流转 400 VDC，以及 400 VDC 转 54 VDC）通常集成在电源模块中，并与电池备份系统结合，通常安装在专用电源机架中。随后，54 VDC 母线沿机架分配至计算区域，在那里完成最后两个转换阶段：从 54 VDC 降压至 6 或 12 VDC，最终再由 6 或 12 VDC 转换至核心电压（见图 1）。

当今的 GPU 机架功耗可高达普通 Web 服务器的 100 倍¹。由于这种指数级增长，处理器的热设计功耗提高了 75%，计算性能提升了 50%。NVIDIA 的白皮书¹指出，NVLink 技术是性能提升的重要原因之一，其使多个 GPU 能够作为单一计算单元协同工作。NVLink 的出现正在推动机架总功率接近 1 MW。为了满足如此高的功率需求，机架内部空间变得极为宝贵，因此必须重新调整电源系统所占比例。这正是 800 VDC 直接转换至 12.5 VDC 架构的优势所在，它可以显著缩小该电源级的面积和厚度，并集成于 GPU 机架内部。

800 V 架构

随着数据中心功率需求不断加速，800 VDC 正逐渐成为下一代配电中最有效的架构，相较于传统的 415/480 VAC 或 54 VDC 方案具有明显优势。更高的工作电压在相同线缆截面积下可显著降低电流，从而减少铜材用量和线缆体积。800 VDC 至 12.5 VDC 的架构同时简化了整体供电路径，减少从电网到 GPU 的转换级数，降低线缆、连接器及元件数量，并释放宝贵的机架空间。通过采用防触碰连接器和机械联锁，系统安全性进一步提升，这些技术已在电动车充电生态系统中得到验证。再加上宽禁带功率器件的成熟以及 800 VDC 在电动交通领域的广泛应用，该架构可支持超过 1 MW 的功率需求¹。

此外，采用基于 GaN 的 LLC 转换器直接从 800 VDC 转换至 12.5 VDC，可提升系统效率并将占板面积缩小约 26%¹。该架构将 800 VDC 直接送入 AI 机架，再转换为 12.5 VDC 供 CPU 与 GPU 的负载点（PoL）转换器使用。将转换级靠近负载可显著降低母线损耗，并省去当前千瓦级系统中常见的 54 V 至 12 V 转换级，同时为高密度计算模块释放更多机架空间（见图 2）。

GaN 技术

GaN（氮化镓）技术是实现 800 VDC 架构的关键。与传统硅器件相比，GaN 半导体具有更快的开关速度、更低的导通损耗，并且在高温环境下性能更佳，这对于实现 800 VDC 系统所需的高功率密度和高效率至关重要。

GaN 器件还能在更高的开关频率下工作，使 PCB 布局更易优化，并显著缩小电感和变压器等无源器件的体积。在 GPU 附近空间极为有限的应用中，这一点尤为重要。

ISOP 解决方案

EPC 设计了一款支持人工智能基础设施 800 VDC 配电的 6 kW、800 VDC 至 12.5 VDC 转换器，采用 LLC 拓扑结构，并使用输入串联、输出并联（ISOP）配置，实现了高效率²。

ISOP 配置采用模块化方法，将输入电压和输出电流分为八个模块，因此每个模块仅承受 1/8 的输入电压并输出 1/8 的电流。由此，原本 800 VDC 至 12.5 VDC（64:1）的转换规格被简化为 100 VDC 至 12.5 VDC（8:1），单模块额定功率为 750 W。

每个模块均采用基于 GaN FET 的半桥功率级，驱动一个 4:1:1 匝比、带中心抽头次级的变压器，并在次级侧采用 GaN FET 同步整流。该变压器适合采用平面 PCB 结构实现。中心抽头次级的优势在于，与全桥整流相比，高电流路径中仅需一个整流器件而非两个串联器件。图 3 显示了 ISOP 转换器框图及 100 VDC 至 12.5 VDC LLC 模块拓扑。

LLC 配置

半桥 LLC 转换器最大限度地减少了有源 FET 和栅极驱动器的数量，从而降低成本。变压器匝比减半，使其在满足安全隔离要求的同时设计更加简单。代价是原边 RMS 电流增加了一倍，因此需要低导通电阻器件，例如 EPC2305。次级侧采用中心抽头整流拓扑，同样减少了有源整流器和驱动器数量，有助于实现低成本方案。

12.5 V 输出电压源自模块的整体转换比。每个模块输入约 100 V，经半桥在变压器原边施加约 50 V。结合 4:1 的变压器匝比，次级电压约为 12.5 V。所有模块输出并联，形成一个高电流的公共 12.5 V 母线。

LLC 设计使开关频率工作在接近谐振频率的位置，在此条件下谐振腔增益为 1，实现最低损耗和最高效率。通过设计使 Lᵣ 远小于 Lₘ（Lᵣ << Lₘ），谐振腔增益在宽频范围内基本不随频率变化，从而稳定输出电压，并确保 800 VDC 输入在所有模块之间均匀分配⁵。

在原边可使用低电压 GaN 器件，其性能指标明显优于 1200 V SiC 或 650 V GaN FET⁶。

此外，ISOP 架构中的八个 LLC 模块可采用交错开关方式，以降低输入和输出电压纹波，并减少母线电容需求。

EPC 的实现方案中，每个模块以 1 MHz 的开关频率运行，使磁性元件体积极小，厚度仅 5.8 mm，从而确保整体方案厚度控制在 8 mm 以内，并可在不影响处理器冷却系统的情况下进行散热。

EPC2305³ 是原边侧的理想选择，其典型 R_DS(on) 为 2.2 mΩ，栅极电荷 Q_G 为 22 nC，输出电荷 Q_OSS 仅 103 nC，且 Q_RR = 0，实现 275 mΩ·nC 的软开关性能指标⁷。该器件采用 3×5 mm QFN 封装，带裸露衬底，结到壳热阻仅 0.2°C/W。

在次级侧，两个并联的 EPC2366⁴ 提供合计 0.4 mΩ 的 R_DS(on)，总 Q_G 为 26 nC，Q_OSS 为 40 nC。每个器件采用 2.6×3.3 mm QFN 封装，热阻为 0.6°C/W。

结论

EPC 的 6 kW、800 VDC 至 12.5 VDC ISOP 转换器展示了 GaN 技术在现代 AI 服务器基础设施中实现高效率与高功率密度的能力。模块化 LLC 架构确保了低损耗、高效率和紧凑尺寸。借助 EPC 成熟的 GaN 技术，该系统可实现接近 98% 的峰值效率和 97% 的满载效率，同时支持兆瓦级功率密度，代表了 AI 供电架构的未来方向。

参考文献

1. White Paper, 800 VDC Architecture for Next-Generation AI Infrastructure – Jared Huntington & Mike Tu, NVIDIA
2. White Paper, Low Cost and Low Profile 800 VDC to 12.5 V DC-DC Converter Using Low Voltage GaN in an ISOP Topology – Efficient Power Conversion (EPC)
3. EPC2305 Data Sheet
4. EPC2366 Data Sheet
5. Q. Ma et al., IEEE Open Journal of Power Electronics, 2024.
6. A. Pozo, M. A. de Rooij, PCIM Conference 2025.
7. A. Lidow et al., GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Wiley, 2025.

Michael de Rooij, Ph.D., Vice President, Applications Engineering