GaN技术杂谈

The full article was originally published in EPDT

The history of power electronics has been a predictable cadence of material limits, architectural shifts, and a new semiconductor platform resetting expectations. Today that transition is happening again, this time with gallium nitride (GaN).

AI’s rapid rise and the widespread rollout of data centers needed to sustain its growth are fundamentally changing the way data centers are designed—not only in terms of compute density and cooling requirements, but also in how electrical power is delivered. Racks that once drew tens of kilowatts are now approaching hundreds of kilowatts, with megawatt-scale AI compute clusters no longer a distant target. In this context, traditional power architectures based on 415/480 VAC distribution and low-voltage DC buses are becoming increasingly inefficient, bulky, and expensive to scale.

与提供高压 GaN 产品的瑞萨（Renesas）建立合作关系，为 EPC 扩展其中低压产品组合带来了新的机遇。

氮化镓（GaN）——一种与碳化硅（SiC）并列的宽禁带半导体——已成为下一代功率电子领域中优于硅的替代技术。知名市场研究机构 Yole 预测，到 2030 年 GaN 功率器件市场规模将达到 30 亿美元，2024 年至 2030 年期间的复合年增长率高达 42%，这主要得益于 OEM 采用率提升、消费市场成熟，以及在 NVIDIA 支持下 AI 数据中心业务的扩张。

Power Electronic News
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在接受 MakerPROTW 特约编辑 Judith Cheng 的采访时，Efficient Power Conversion（EPC）联合创始人兼首席执行官 Alex Lidow 介绍了公司目前已投入量产的第七代氮化镓（GaN）技术，以及该技术对传统上由硅 MOSFET 主导的低压应用所带来的影响。随着 40 V 的 EPC2366 等器件已进入批量生产，EPC 正将 GaN 定位为 40 V 及以下电压范围内的主流选择——这一市场规模甚至超过了 GaN 最初取得突破的 100 V 细分市场。

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。

在摩纳哥举行的 Bodo Power Systems 宽禁带论坛上，EPC 创始人兼首席执行官 Alex Lidow 凭借其五十年电力半导体领域的经验，为 GaN 相关讨论定下了基调，重点强调了氮化镓（GaN）的显著优势。与来自德州仪器（Texas Instruments）、Navitas、英飞凌（Infineon）、东芝（Toshiba）、大众汽车（Volkswagen）和三菱（Mitsubishi）的专家同台交流时，他将 GaN 定位为低电压、高频系统的更优选择——应用领域涵盖 AI 数据中心、人形机器人、自动驾驶车辆以及 LiDAR。尽管 SiC 仍然是高电压应用的首选，但 Lidow 指出，GaN 已成为一种具有成本优势的技术，正在重塑负载点（PoL）供电架构——而且远不止于此。

48 V 正在被许多应用采用，包括 AI 系统、数据中心和轻度混合动力电动车。然而，传统的 12 V 生态系统仍然占主导地位，因此需要高功率密度的 12 V 转 48 V 升压转换器。eGaN® FET 的快速开关速度和低 RDS(on) 可以帮助解决这个问题。 本文评估了一种使用由瑞萨的 ISL81807 控制器 IC 直接驱动的 eGaN FET 的 12 V 转 48 V、500 W DC-DC 功率模块的设计，该模块采用简单且低成本的同步升压拓扑。

新兴计算应用需求更大的功率和更小的外形尺寸。除了不断扩展的服务器市场需求外，一些最具挑战性的应用包括多用户游戏系统、自动驾驶汽车和人工智能。这些应用正在产生对可在靠近处理器的主板上挤压的DC-DC转换器的需求。

计算和电信市场的快速扩展要求中间总线转换器提供更加紧凑、高效和高功率密度的解决方案。LLC谐振转换器是提供高功率密度和高效解决方案的出色候选者。eGaN® FETs凭借其超低的导通电阻和寄生电容，有助于LLC谐振转换器显著降低损耗，而这是使用硅MOSFET时很难实现的。采用EPC2053和EPC2024等eGaN FETs的48 V到12 V，900 W，1 MHz LLC DC到DC变压器（DCX）转换器被证明实现了98.4%的峰值效率和超过1500 W/in3的功率密度。

Gallium nitride (GaN) is a better semiconductor than silicon. There are many crystals that are better than silicon, but the problem has always been that they are far too expensive to be used in every application where silicon is used. But, GaN can be grown as an inexpensive thin layer on top of a standard silicon wafer enabling devices that are faster, smaller, more efficient, and less costly than their aging silicon counterparts.