為AI工廠賦能：EPC GaN解決方案如何助力NVIDIA MGX架構實現效能飛躍

數位世界正進入一場新的AI工業革命，資料中心正在轉型為能夠大規模產生智慧的AI工廠。AI不再只是一個軟體議題；它也正迅速成為一個基礎設施議題。現代工作負載正從簡單的人與AI互動，轉向AI與AI協作，在這種模式下，代理式模型能夠協調任務、自主推理，並在超長token序列中運作。這給基礎設施帶來了新的壓力：系統不僅需要更強的原始運算能力，還必須滿足對延遲、熱管理和能源效率的嚴格要求。為了了解AI工廠如何在實務中建構，NVIDIA MGX™為可擴充、靈活的加速運算基礎設施提供了模組化基礎。雖然MGX解決了基礎設施模組化和更快部署的問題，但另一個更嚴重的瓶頸正在形成：電源傳輸。隨著AI系統變得更複雜、更密集，電源轉換效率對於維持效能和效率至關重要。一項關鍵使能技術是Efficient Power Conversion（EPC）的氮化鎵（eGaN®）解決方案，它可提供下一代AI基礎設施所需的效率、功率密度和熱性能。

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

衛星酬載架構正在從固定功能處理鏈轉向靈活的運算基礎設施，能夠直接在軌支援動態工作負載。這一轉變反映了太空系統工程領域更廣泛的變革，即太空船越來越需要在不完全依賴地面處理資源的情況下執行訊號處理、感測器融合、異常偵測和人工智慧推理。

來自 EPC 與德州儀器（Texas Instruments）的專家說明，為什麼 GaN 在關節層級的人形機器人馬達驅動設計中占據主導地位。

一台人形機器人約需要 40 到 80 顆馬達來驅動四肢與軀幹，而每隻手還包含十多顆額外馬達，以重現靈巧操作能力。高密度的獨立致動器帶來了複雜的電力電子整合挑戰，且必須在人類尺寸限制內完成封裝。

在 Efficient Power Conversion，我們正在利用 eGaN 技術開拓電力電子新領域，該技術使系統更小、更快、更高效。從機器人和無人機到人工智能和太空，EPC 幫助工程師簡化設計，並實現下一代創新。

由 Marco Palma，馬達驅動系統及應用部門主管，以及 Maurizio Di Paolo Emilio，高效能功率轉換（EPC）市場通訊部門主管撰寫

氮化鎵 (GaN) 功率器件正在推動新一代高效能、高功率密度的馬達驅動系統。與傳統的矽 MOSFET 相比，GaN 晶體管具有顯著較低的閘極電荷、減少的輸出電容以及非常低的導通電阻，使得功率轉換器能夠在更高的開關速度下運行。因此，基於 GaN 技術的馬達變流器能夠實現超過 100 kHz 的切換頻率，同時減少導通和切換損耗。這些特性使得被動元件更小、效率更高且系統設計更為緊湊。

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與現有的矽MOSFET相比，GaN提供了更快的切換速度和更高的效率。需求在AI伺服器電源、轉接器、UPS系統和電動車充電器等廣泛的應用中迅速增加。特別是在基於48V的電源架構中，應用GaN可以減少超過20%的功率損失，使其成為數據中心和高性能計算環境中的關鍵技術。在這些趨勢中，預計功率半導體市場將圍繞GaN重新組織，而現有的MOSFET和驅動IC市場——目前價值超過200億美元——也在經歷迅速的變化。像EPC這樣的公司正在加速過渡到GaN IC，同時持續的技術進步正在推動系統效率的提高、尺寸的縮小和可靠性的提升。在韓國，對GaN解決方案的需求也在穩步增加，特別是在電動車、可再生能源和電池系統等應用中。GaN作為一項核心技術，正受到關注，因為它在提高功率效率的同時，還能實現更緊湊和輕巧的設計。

隨著人工智慧基礎設施遷移到800伏特配電，以及仿人機器人將功率電子直接嵌入關節中，第七代氮化鎵和集成氮化鎵IC正在使得15伏至40伏特關鍵範圍內的效率更高、切換速度更快，並顯著提高功率密度 — 重新塑造硬件開發團隊如何處理下一代轉換架構的方式。

隨著人工智慧基礎設施向兆瓦級機架和800伏特配電架構擴展，以及仿人機器人將功率電子直接推進到關節和執行器中，對轉換效率、密度和動態性能的要求已經根本改變。傳統的基於矽MOSFET的設計越來越受到切換損耗、熱限制和物理尺寸的限制 — 特別是在支撐電機驅動器、點負載轉換器和分布式機器人電源階段的15伏至40伏範圍內。

由 Maurizio Di Paolo Emilio, EPC 高效能功率轉換公司市場傳播總監撰寫

隨著從傳統自動化向移動機器人的持續轉變，驅動電子設計需求正在發生顯著變化。穿戴技術、仿人機器人和空中平台中整合的執行器同時受到體積、質量、效率、聲學排放和動態響應的限制。在這些應用中，變頻器成為電機機械結構的緊密結合組件，而不再是外圍的電源階段。

在這段來自APEC的影片中，EPC的應用工程總監Alejandro Pozo介紹了公司最新的低壓eGaN FET解決方案，用於高電流降壓轉換器。他展示了幾塊評估板，這些板子配備了40V、25V和15V的裝置，能夠提供高達50A的電流，並且效率驚人，即使沒有散熱片也能保持非常低的熱升。Alejandro還特別介紹了小巧的EPC90175半橋板，以及它與標準控制器和測量硬件的整合，這些都用於在要求苛刻的應用中進行精確測試。

仿人機器人的發展正在改變馬達驅動電子設備的需求。在傳統的工業驅動中，變流器通常安裝在外部櫃子中，透過電纜與馬達連接。然而，在仿人機器人中，執行器必須安裝在模仿人類動作的關節中，如肩膀、肘部、手腕甚至手指。這種架構的轉變迫使功率電子設備遷移到馬達外殼內部，其中空間、熱散失和動態響應的要求顯著地更具挑戰性。

在這段來自APEC的影片中，EPC的馬達驅動系統及應用部門主管馬可·帕爾瑪（Marco Palma）介紹了基於氮化鎵（GaN）技術的先進馬達驅動參考設計。他首先介紹了EPC91122參考設計，該設計特點是使用EPC33110三相功率模組來驅動中型無人機馬達和高扭矩的仿人機器人關節。隨後他介紹了EPC91121，這是一款為電動工具設計的高度整合板，基於EPC最新的第七代40V GaN裝置。這兩個平台都展示了緊湊的外形尺寸、高效率以及從250W到5kW的易於擴展性，適合快速原型製作。

在過去幾年中，寬禁帶半導體的採用出現了驚人的增長，這似乎是一個朝著取代傳統硅產品的穩固趨勢。碳化矽已成功針對電動車和充電基礎設施，而氮化鎵 (GaN) HEMT最初則進入以消費者為導向的應用，主要是充電器和轉接頭。然而，GaN 的多功能性遠超過單純作為製造更輕更薄充電器的 MOSFET 替代品。

在這次的網絡研討會中，Efficient Power Conversion (EPC) 的 GaN 應用研究員 Michael De Rooij 展示了一款高性能的 800 V (±400 V) 至 12.5 V 隔離轉換器，用於下一代伺服器電源系統。他解釋了使用八個交錯模組的串聯輸入（輸入串聯，輸出並聯）架構，結合半橋主橋與推拉式次級橋，以減少紋波電流、最小化電容並改善熱分佈。講者詳細介紹了低壓 GaN FET 的使用、隔離與閘極驅動方案，以及測量效率超過 98%。他最後介紹了一款新的 800 V 至 50 V、多千瓦、1 MHz 設計，其功率密度增加了一倍。

馬可·帕爾瑪（Marco Palma），高效能電力轉換（EPC）的馬達驅動系統及應用部門主任，展示了氮化鎵（GaN）變頻器如何在仿人機器人中轉變馬達控制。在這次演講中，他解釋了快速切換的GaN裝置具有零反向恢復功能，能夠實現更高的PWM頻率、減少死時間，以及消除或減少電解電容的使用。其結果是 更高的效率、更大的扭矩每安培、更小的形狀因素，以及更平滑的關節運作。帕爾瑪詳細介紹了EPC的參考設計針對各種仿人關節—從手臂和手腕到臀部—涵蓋了整合的三相模組和高電流的分立解決方案，功率範圍從幾百瓦到幾千瓦。

在這部影片中，Microchip 和 EPC 展示了他們在高效能電力轉換技術上的最新進展，這些技術將應用於下一代數據中心和 AI 伺服器。Microchip 的 dsPIC 高級技術應用工程師 Andreas Reiter 和 EPC 的 GaN 應用研究員 Michael De Rooij 展示了一個 5 kW 多級飛行電容 PFC 和一個超緊湊的 800 V 至 12 V、6 kW ISOP 轉換器。他們解釋了低壓 GaN 裝置、先進的基於 DSP 的數位控制，以及複雜的 LLC 啟動排序是如何實現顯著的尺寸、損耗和 EMI 降低。如果您正在設計高密度伺服器電源供應器或探索尖端數位電力架構，這次深入探討將為您提供實用見解和具體實施想法。

這場由 EPC 可靠性副總裁張勝科所作的演講，回答了一個關於 GaN 功率器件可靠性中最常見的問題：製造商如何能夠自信地保證10年的使用壽命，而不需要等待十年來驗證它。演講介紹了可靠性的“浴缸曲線”，解釋了標準1000小時資格測試的限制，並展示了用於預測長期磨損行為的失效測試方法。通過對數據中心48伏特中間匯流排（IBC）模塊的案例研究，張勝科突出了溫度循環、故障機理分析和基於物理的壽命模型對於確保在要求嚴苛的高功率密度應用中GaN的堅固性能的影響。

EPC 開發了一種新的轉換器，專為使用人工智能的「側車」伺服器設計，其中電源供應與資訊技術設備分開機架。此轉換器是一種固定比率轉換器，可以將 800 伏特降至 12 伏特。為了達到總輸出 6 kW，設計使用了多個 100 伏特至 12 伏特的模組，每個模組的額定功率為 750 W。這些單獨模組的輸入串聯在一起，而輸出則並聯連接。

整個 6 kW 模組具有緊湊的物理尺寸，尺寸為 106 毫米 x 47 毫米，僅有 8 毫米厚。這種高度的小型化是通過 GaN 技術實現的。

EPC 展示了 EPC 91122 板，該板配備了 EPC 3111 模組，一個 100 伏特的三相模組，專為電機控制應用設計。

該板整合了控制器、電源模組、兩個電流感測器和一個位置感測器。由於鎵氮化物 (GaN) 技術支持在 100 kHz 的切換頻率，設計完全依賴 MLCC 電容器，徹底省去了體積較大的電解電容器的需求。

在這場網絡研討會中，高效能功率轉換（EPC）的首席執行官Alex Lidow闡述了GaN是如何突破關鍵的性能界限，現在在所有電壓和所有拓撲結構中均超越了最佳的矽MOSFETs。您將看到關於導通電阻、硬切換和軟切換損失以及在人工智能、伺服器和點負載轉換器中的實際效率提升的具體數據——從數十伏特到低至1伏特以下的導軌。Lidow還預覽了未來以整合為重點的幾代產品，這將GaN推向其理論極限的更近一步。

氮化鎵（GaN）功率元件透過結合寬能隙物理特性與針對高速、低損耗運作而最佳化的橫向 HEMT 結構，正在重新定義開關轉換器的極限。本文介紹了 GaN 如何成為 100–650 V 等級中矽 MOSFET 的天然繼任者，並展示材料品質因數如何直接轉化為更低的導通電阻、更高的開關頻率，以及在具競爭力的成本下實現高得多的功率密度。

自 20 世紀 70 年代末以來，矽功率 MOSFET 憑藉多數載子運作、堅固耐用和易於驅動等優勢，取代了雙極型電晶體，推動了開關模式功率轉換的發展。數十年來，單元間距、溝槽和超接面等結構的持續改進，在保持崩潰能力和可製造性的同時，不斷降低 R_DS(on) 。然而，在 100–600 V 範圍內，矽如今基本已達到單極元件的理論極限。

EDN
2026 年 3 月

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