低成本、低剖面 6 kW、800 V 至 12.5 V AI 電源用 DC-DC 轉換器

技術分享雜談GaN技術 – Michael de Rooij, Ph.D. 一月 15, 2026

Michael A. de Rooij 與 Alejandro .P. Pozo

本文發表於 EEPower。

人工智慧如今正廣受關注，其影響力只會持續擴大。當前真正的挑戰在於如何以最佳效率滿足不斷成長的能源需求。NVIDIA 最近發佈的一份白皮書¹指出，結合儲能解決方案的 800 V 直流架構，是一種可滿足當前與未來 AI 伺服器基礎架構需求的替代方案。這類系統所需的供電功率將以兆瓦計，而不僅是千瓦。實現這一目標的關鍵技術是 GaN。EPC 與 NVIDIA 合作，開發了一款具備成本效益、低剖面的 800 VDC 至 12.5 VDC 轉換器²，可提供高達 6 kW 的功率。該設計採用了 EPC 最新的 150 V 與 40 V GaN 元件^3,4，整體佔板面積僅 5,000 mm²，總厚度僅 8 mm。此設計展示了 GaN FET 如何在維持低成本的同時，實現高效率與高功率密度的結合，並以滿載效率達到 97% 為目標。

伺服器電氣基礎架構

目前的人工智慧系統通常在同一機架內（GPU 與 CPU 所在位置）需經歷四個電源轉換階段——從交流電網一路轉換至核心電壓。前兩個階段（交流轉 400 VDC，以及 400 VDC 轉 54 VDC）通常整合於電源供應器中，並與電池備援系統搭配，安裝於專用的電源機櫃內。隨後，54 VDC 母線沿機架分配至運算區域，在該處完成最後兩個轉換階段：由 54 VDC 降壓至 6 或 12 VDC，最終再由 6 或 12 VDC 轉換至核心電壓（見圖 1）。

Typical kilowatt server rack architecture — 圖 1：典型的千瓦級伺服器機架架構²

現今的 GPU 機架功耗可高達一般 Web 伺服器的 100 倍¹。由於這種指數型成長，處理器的熱設計功耗提升了 75%，而運算效能則提高了 50%。NVIDIA 的白皮書¹指出，NVLink 技術是效能提升的主要原因之一，該技術可讓多個 GPU 作為單一運算單元協同運作。NVLink 的出現正推動整體機架功率逼近 1 MW。為了滿足如此龐大的功率需求，機架內的空間變得極為寶貴，因此必須重新分配電源系統所佔比例。這正是 800 VDC 直接轉換至 12.5 VDC 架構的優勢所在，因為該電源級的面積與厚度可大幅縮小，並能配置於 GPU 機架內部。

800 V 架構

隨著資料中心功率需求快速成長，800 VDC 正逐漸成為下一代配電中最有效的架構，相較於傳統的 415/480 VAC 或 54 VDC 方案具備明顯優勢。在相同的線纜截面積下，更高的電壓可顯著降低電流，進而減少銅材用量與線纜體積。800 VDC 至 12.5 VDC 的架構同時簡化了整體供電路徑，減少從電網到 GPU 所需的轉換級數，降低線纜、連接器與元件數量，並釋放寶貴的機架空間。透過採用防觸碰連接器與機械聯鎖，系統安全性亦得以提升——這些技術已在電動車充電生態系統中獲得驗證。再加上寬能隙功率元件的成熟，以及 800 VDC 在電動交通領域的廣泛應用，使該架構能夠支援超過 1 MW 的功率需求¹。

此外，採用基於 GaN 的 LLC 轉換器直接從 800 VDC 轉換至 12.5 VDC，可進一步提升系統效率，並將佔板面積縮小約 26%¹。此架構將 800 VDC 直接送入 AI 機架，再轉換為 12.5 VDC，供為 CPU 與 GPU 供電的負載點（PoL）轉換器使用。將轉換級靠近負載配置，可顯著降低母線損耗，並省去現今千瓦級系統中常見的 54 V 至 12 V 轉換級，同時為高密度運算模組釋放更多機架空間（見圖 2）。

New megawatt-scale power distribution system — 圖 2：新型兆瓦級配電系統²

GaN 技術

GaN（氮化鎵）技術是實現 800 VDC 架構的關鍵因素。與傳統矽元件相比，GaN 半導體具備更快的切換速度、更低的導通損耗，並能在高溫環境下維持優異性能。這些特性對於滿足 800 VDC 系統所要求的高功率密度與高效率至關重要。

GaN 元件亦可在更高的切換頻率下運作，使 PCB 設計更容易最佳化，並大幅縮小電感與變壓器等被動元件的尺寸。在 GPU 附近空間極為有限的應用中，這一點尤其重要。

ISOP 解決方案

EPC 設計了一款 6 kW、800 VDC 至 12.5 VDC 的轉換器，用於支援人工智慧基礎架構中的 800 VDC 配電系統。該方案採用 LLC 拓撲，並以輸入串聯、輸出並聯（ISOP）架構實現高效率²。

ISOP 架構採用模組化方式，將輸入電壓與輸出電流分為八個模組，因此每個模組僅承受 1/8 的輸入電壓並提供 1/8 的輸出電流。由此，原本 800 VDC 至 12.5 VDC（64:1）的轉換規格，簡化為 100 VDC 至 12.5 VDC（8:1），單一模組的額定輸出功率為 750 W。

每個模組皆採用基於 GaN FET 的半橋功率級，為一個 4:1:1 匝比、具中心抽頭次級的變壓器提供原邊驅動，次級側則採用 GaN FET 同步整流。該變壓器適合以平面 PCB 結構製作。中心抽頭次級的優勢在於，相較於全橋整流，在高電流整流路徑中僅需一個元件，而非兩個串聯元件。圖 3 顯示了 ISOP 轉換器的方塊圖以及 100 VDC 至 12.5 VDC LLC 模組的拓撲架構。

LLC 組態

半橋 LLC 轉換器可將所需的主動 FET 與閘極驅動器數量降至最低，有助於降低成本。變壓器的匝比亦減半，在需滿足安全隔離要求的前提下，使其設計更為簡化。相對地，變壓器原邊的 RMS 電流增加了一倍，因此需採用低導通電阻的元件，例如 EPC2305。次級側採用中心抽頭整流拓撲，同樣可減少主動整流器與驅動器的數量，進一步實現低成本方案。

12.5 V 的輸出電壓來自模組的整體轉換比。每個模組輸入約 100 V，經由半橋在變壓器原邊施加約 50 V 的電壓。配合 4:1 的變壓器匝比，次級側電壓約為 12.5 V。所有模組的輸出並聯後，形成一條高電流的共用 12.5 V 母線供負載使用。

LLC 的設計使切換頻率接近諧振槽的諧振頻率，在此條件下諧振槽增益為 1，可達到最低損耗與最高效率。透過設計使 Lᵣ 遠小於 Lₘ（Lᵣ << Lₘ），諧振槽增益在寬廣的頻率範圍內幾乎不隨操作頻率變化，從而穩定電壓轉換，並確保 800 VDC 輸入電壓能平均分配至所有模組⁵。

在原邊側可採用低電壓 GaN 元件，其性能指標明顯優於 1200 V SiC 或 650 V GaN FET⁶。

此外，構成 ISOP 架構的八個 LLC 模組可採用交錯切換方式，以降低輸入與輸出電壓紋波，並減少對母線電容的需求。

EPC 的實作方案中，每個模組以 1 MHz 的切換頻率運作，使磁性元件尺寸極小，其厚度僅為 5.8 mm。這一點至關重要，因為它可將整體解決方案的總厚度控制在 8 mm 以內，並能在不干擾處理器散熱系統的情況下進行冷卻。

EPC2305³ 是原邊側的理想選擇，其典型 R_DS(on) 為 2.2 mΩ，閘極電荷 Q_G 為 22 nC，輸出電荷 Q_OSS 僅 103 nC，且 Q_RR = 0（GaN 元件不存在反向恢復），實現 275 mΩ·nC 的軟切換性能指標⁷。該元件採用 3×5 mm QFN 封裝，具裸露基板，接面至外殼的熱阻僅 0.2°C/W。

在次級側，兩顆並聯的 EPC2366⁴ 提供合計 0.4 mΩ 的 R_DS(on)，總閘極電荷 Q_G 為 26 nC，Q_OSS 為 40 nC。每顆元件採用 2.6×3.3 mm QFN 封裝，具裸露基板，熱阻為 0.6°C/W。

800 VDC to 12.5 VDC ISOP Converter — 圖 3：800 VDC 至 12.5 VDC ISOP 轉換器（低壓模組細節）²

Photo of the EPC91123, 6 kW, 800 VDC to 12.5VDC, Demo Board — 圖 4：EPC91123，6 kW，800 VDC 至 12.5 VDC 示範板²

結論

EPC 的 6 kW、800 VDC 至 12.5 VDC ISOP 轉換器展示了 GaN 技術在現代 AI 伺服器基礎架構中實現高效率與高功率密度的能力。模組化 LLC 架構確保了低損耗、高效率與緊湊的佔板面積。憑藉 EPC 成熟的 GaN 技術，該系統可達到接近 98% 的峰值效率與 97% 的滿載效率，同時支援兆瓦級功率密度，體現了 AI 供電架構的未來方向。