为AI工厂赋能：EPC GaN解决方案如何助力NVIDIA MGX架构实现性能飞跃

数字世界正在进入一场新的AI工业革命，数据中心正在转型为能够大规模生成智能的AI工厂。AI不再只是一个软件议题；它也正迅速成为一个基础设施议题。现代工作负载正从简单的人与AI交互，转向AI与AI协作，在这种模式下，智能体模型能够协调任务、自主推理，并在超长token序列中运行。这给基础设施带来了新的压力：系统不仅需要更强的原始计算能力，还必须满足对延迟、热管理和能源效率的严格要求。为了理解AI工厂如何在实践中构建，NVIDIA MGX™为可扩展、灵活的加速计算基础设施提供了模块化基础。虽然MGX解决了基础设施模块化和更快部署的问题，但另一个更严重的瓶颈正在形成：电源传输。随着AI系统变得更复杂、更密集，电源转换效率对于维持性能和效率至关重要。一项关键使能技术是Efficient Power Conversion（EPC）的氮化镓（eGaN®）解决方案，它可提供下一代AI基础设施所需的效率、功率密度和热性能。

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

卫星有效载荷架构正在从固定功能处理链转向灵活的计算基础设施，能够直接在轨支持动态工作负载。这一转变反映了空间系统工程领域更广泛的变革，即航天器越来越需要在不完全依赖地面处理资源的情况下执行信号处理、传感器融合、异常检测和人工智能推理。

来自 EPC 和德州仪器（Texas Instruments）的专家解释了为什么 GaN 在关节级人形机器人电机驱动设计中占据主导地位。

一台人形机器人需要大约 40 到 80 个电机来驱动其四肢和躯干，而每只手还包含十多个额外电机，以实现灵巧操作。高密度的独立执行器带来了复杂的电力电子集成挑战，并且必须在人类尺寸限制内完成封装。

在高效电力转换公司，我们正在用 eGaN 技术开拓电力电子新前沿，该技术使系统更小、更快、更高效。从机器人和无人机到人工智能和太空，EPC 帮助工程师简化设计，并将下一代创新带入生活。

作者 Marco Palma，电机驱动系统与应用总监，以及 Maurizio Di Paolo Emilio，高效电力转换（EPC）市场传播总监

氮化镓（GaN）功率器件正在推动新一代高效率、高功率密度的电机驱动系统的发展。与传统的硅MOSFET相比，GaN晶体管具有显著更低的栅极电荷、减少的输出电容和极低的导通电阻，使得电力转换器能够在更高的开关速度下工作。因此，基于GaN技术的电机逆变器可以实现超过100 kHz的开关频率，同时减少导通和开关损耗。这些特性使得被动元件更小，效率更高，并且系统设计更为紧凑。

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与现有的硅MOSFET相比，GaN提供了更快的切换速度和更高的效率。需求在包括AI服务器电源、适配器、UPS系统和电动车充电器在内的广泛应用中迅速增长。特别是在基于48V的电源架构中，应用GaN可以减少超过20%的功率损失，使其成为数据中心和高性能计算环境中的关键技术。在这些趋势中，预计围绕GaN的功率半导体市场将重新组织，而现有价值超过200亿美元的MOSFET和驱动IC市场也正在经历快速变化。像EPC这样的公司正在加速过渡到GaN IC，而持续的技术进步正推动系统效率、尺寸缩小和可靠性的提高。在韩国，对GaN解决方案的需求也在稳步增长，特别是在电动车、可再生能源和电池系统等应用中。GaN作为一种核心技术，正因其提高功率效率的同时使设计更加紧凑和轻便而受到关注。

随着人工智能基础设施向800伏特配电迁移，以及仿人机器人将电力电子直接嵌入关节中，第7代GaN和集成GaN集成电路正在推动15伏至40伏关键电压范围内的效率更高、开关速度更快以及功率密度大幅提升 — 重塑硬件开发团队对下一代转换架构的处理方式。

随着人工智能基础设施向兆瓦级机架和800伏特配电架构扩展，以及仿人机器人将电力电子直接推入关节和执行器，转换效率、密度和动态性能的需求已经发生了根本性变化。传统的基于硅MOSFET的设计越来越受到开关损耗、热限制和物理占用空间的约束 — 尤其是在支撑电机驱动、点负载转换器和分布式机器人电源阶段的15伏至40伏范围内。

作者：毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥，市场总监，EPC – 高效电力转换

由于从传统自动化向移动机器人的持续转变，电机驱动电子的设计要求正在发生显著变化。在可穿戴技术、仿人机器人和空中平台集成的执行器中，体积、质量、效率、声学发射和动态响应都同时受到限制。在这些应用中，逆变器成为电机结构的紧密耦合组件，而不再是一个外围电源阶段。

在这段来自APEC的视频中，EPC的应用工程总监Alejandro Pozo展示了公司最新的低压eGaN FET解决方案，用于高电流降压转换器。他介绍了几个评估板，这些板配备了40V、25V和15V的器件，能够提供高达50A的电流，且效率高，即使不使用散热片，热升也非常低。Alejandro还重点介绍了紧凑的EPC90175半桥板，以及它与标准控制器和用于精确测试的测量硬件在苛刻应用中的集成。

仿人机器人正在改变电机驱动电子设备的需求。在传统的工业驱动中，逆变器通常放置在外部柜子中，通过电缆与电机连接。然而，在仿人机器人中，执行器必须安装在模拟人类肩膀、肘部、手腕甚至手指动作的关节中。这种架构的转变迫使电力电子设备迁移到电机外壳内部，其中空间、热量散发和动态响应的要求显著更具挑战性。

在这段来自APEC的视频中，EPC公司电机驱动系统及应用部门主任Marco Palma展示了基于氮化镓(GaN)技术的先进电机驱动参考设计。他首先介绍了EPC91122参考设计，该设计采用EPC33110三相电源模块，用于驱动中型无人机电机和高扭矩的仿人机器人关节。随后，他介绍了EPC91121，这是一个高度集成的电源工具板，基于EPC最新的第7代40V GaN设备。这两个平台都展示了紧凑的形状因子、高效率以及从250瓦到5千瓦的容易扩展性，便于快速原型制作。

在过去几年中，宽禁带半导体的采用经历了惊人的增长，这似乎是一个向替代传统硅产品的趋势的巩固。硅碳化物已成功地针对电动车和充电基础设施，而氮化镓 (GaN) HEMT 最初进入了以消费者为导向的应用，主要是充电器和适配器。然而，GaN 的多功能性远超过简单的用于制造更轻更薄的充电器的 MOSFET 替代品。

在这次网络研讨会中，Efficient Power Conversion (EPC) 的 GaN 应用研究员 Michael De Rooij 展示了一种用于下一代服务器电源系统的高性能 800 V (±400 V) 至 12.5 V 隔离转换器。他解释了使用八个交错模块的级联输入（输入串联，输出并联）架构，结合半桥主转换器和推挽副转换器以减少纹波电流、最小化电容并改善热分布。演讲者详细介绍了低压 GaN FETs 的使用、隔离和驱动方案，以及测量的效率超过 98%。他最后介绍了一种新的 800 V 至 50 V、多千瓦、1 MHz 设计，该设计功率密度翻倍。

马可·帕尔马（Marco Palma），高效电力转换（EPC）公司电机驱动系统及应用部主任，展示了 氮化镓（GaN）逆变器 如何在人形机器人的电机控制中实现变革。在这次演讲中，他解释了快速切换的GaN器件以及零反向恢复如何实现更高的PWM频率、减少死区时间以及消除或减少电解电容器的使用。其结果是 更高的效率、更高的每安培扭矩、更小的形式因素以及更平滑的关节运作。帕尔马详细介绍了 EPC的参考设计 ，涵盖了从手臂和腕部到臀部的各种人形关节，包括集成的三相模块和高电流离散解决方案，功率范围从几百瓦到几千瓦。

在这个视频中，Microchip 和 EPC 展示了他们在高效能功率转换方面的最新进展，这些技术将应用于下一代数据中心和人工智能服务器。Microchip 的 dsPIC 高级技术应用工程师 Andreas Reiter 和 EPC 的 GaN 应用研究员 Michael De Rooij 展示了一个 5 千瓦多级飞行电容 PFC 和一个超紧凑的 800 V 至 12 V、6 千瓦 ISOP 转换器。他们解释了低压 GaN 设备、先进的基于 DSP 的数字控制以及复杂的 LLC 启动序列是如何实现显著的尺寸、损耗和 EMI 减少的。如果您正在设计高密度服务器电源或探索尖端数字电源架构，这个深入探讨将为您提供实用的见解和具体的实施思路。

这次由 EPC 的可靠性副总裁张胜科所做的演讲，解答了一个关于 GaN 功率器件可靠性中最常见的问题：制造商如何能够自信地保证10年的使用寿命，而不必等待十年来验证它。讲话中介绍了可靠性的“浴缸曲线”，解释了标准1000小时资格测试的局限性，并展示了用于预测长期磨损行为的测试到失败方法。通过关于数据中心48 V 中间总线转换器（IBC）模块的案例研究，张强调了温度循环、故障机制分析和基于物理的寿命模型对于确保在要求严苛的高功率密度应用中 GaN 性能的稳健性的影响。

EPC 开发了一种新的转换器，专为基于人工智能的“挎斗”服务器设计，其中电源与信息技术设备分开架设。这块板是一种固定比率转换器，可以将 800 伏降至 12 伏。为了实现总输出功率 6 千瓦，设计使用了额定功率为 750 W 的 100 伏至 12 伏模块。这些单独模块的输入串联在一起，而它们的输出则并联连接。

整个 6 千瓦模块具有紧凑的物理尺寸，长 106 毫米，宽 47 毫米，仅有 8 毫米厚。这种高度的小型化是通过 GaN 技术实现的。

EPC 展示了 EPC 91122 板，该板配备了 EPC 3111 模块，这是一个 100 伏特的三相模块，专为电机控制应用设计。

该板集成了控制器、功率模块、两个电流传感器和一个位置传感器。由于氮化镓 (GaN) 技术支持 100 kHz 的切换频率，设计完全依赖于 MLCC 电容器，完全消除了对体积较大的电解电容器的需求。

在这次网络研讨会中，高效电力转换（EPC）的首席执行官Alex Lidow详细介绍了GaN是如何跨越关键性能边界，现在在所有电压和所有拓扑结构中均优于最好的硅MOSFET。您将看到关于导通电阻、硬切换和软切换损失以及在人工智能、服务器和点负载转换器中的实际效率提升的具体数据 - 从数十伏降至低至1伏以下的电压。Lidow还预览了未来以集成为重点的几代产品，这些产品将GaN推向其理论极限。

氮化镓（GaN）功率器件通过结合宽禁带物理特性与针对高速、低损耗运行而优化的横向 HEMT 结构，正在重新定义开关转换器的极限。本文介绍了 GaN 如何成为 100–650 V 等级中硅 MOSFET 的天然继任者，并展示材料品质因数如何直接转化为更低的导通电阻、更高的开关频率，以及在具有竞争力的成本下实现更高得多的功率密度。

自 20 世纪 70 年代末以来，硅功率 MOSFET 凭借多数载流子工作、坚固耐用和易于驱动等优势，取代了双极型晶体管，推动了开关模式功率转换的发展。数十年来，单元间距、沟槽和超结等结构的持续改进，在保持击穿能力和可制造性的同时，不断降低 R_DS(on) 。然而，在 100–600 V 范围内，硅如今基本已达到单极器件的理论极限。

EDN
2026 年 3 月

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