雜談GaN技術

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 的快速崛起以及支援其持續成長所需資料中心的廣泛部署，正在從根本上改變資料中心的設計方式——不僅體現在運算密度和冷卻需求方面，也體現在電力傳輸方式上。過去功耗為數十千瓦的機架，如今正接近數百千瓦，兆瓦級 AI 運算叢集已不再是遙遠的目標。在此背景下，基於 415/480 VAC 配電和低壓 DC 匯流排的傳統電源架構，在擴展時正變得日益低效、笨重且成本高昂。

與提供高電壓 GaN 產品的瑞薩（Renesas）建立合作關係，為 EPC 擴展其中低電壓產品組合帶來新的契機。

氮化鎵（GaN）——一種與碳化矽（SiC）並列的寬能隙半導體——已成為新世代電力電子中優於矽的替代技術。知名市場研究機構 Yole 預測，到 2030 年 GaN 功率市場規模將達 30 億美元，2024 年至 2030 年期間的年複合成長率高達 42%，主要受 OEM 採用率提升、消費市場成熟，以及在 NVIDIA 支持下 AI 資料中心業務擴張所推動。

Power Electronic News
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在接受 MakerPROTW 特約編輯 Judith Cheng 的專訪時，Efficient Power Conversion（EPC）共同創辦人暨執行長 Alex Lidow 介紹了公司目前已投入量產的第七代氮化鎵（GaN）技術，以及該技術對傳統上由矽 MOSFET 主導的低電壓應用所帶來的影響。隨著 40 V 的 EPC2366 等元件已進入大量生產，EPC 正將 GaN 定位為 40 V 及以下電壓範圍內的主流選項——此市場規模甚至超過 GaN 最初取得突破的 100 V 區段。

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。

在摩納哥舉行的 Bodo Power Systems 寬能隙論壇上，EPC 創辦人暨執行長 Alex Lidow 憑藉其五十年電力半導體經驗，為 GaN 的討論定下基調，強調了氮化鎵（GaN）的顯著優勢。與來自德州儀器（Texas Instruments）、Navitas、英飛凌（Infineon）、東芝（Toshiba）、福斯汽車（Volkswagen）及三菱（Mitsubishi）的專家同台交流時，他將 GaN 定位為低電壓、高頻系統的最佳選擇——應用範圍涵蓋 AI 資料中心、人形機器人、自駕車以及 LiDAR。儘管 SiC 仍是高電壓應用的首選，Lidow 指出，GaN 已是一項具備成本效益、正在重塑負載點（PoL）電源的技術——而且遠不止於此。

48 V 正在被許多應用採用，包括 AI 系統、數據中心和輕度混合動力電動車。然而，傳統的 12 V 生態系統仍然占主導地位，因此需要高功率密度的 12 V 至 48 V 升壓轉換器。eGaN® FET 的快速開關速度和低 RDS(on) 可以幫助解決這一挑戰。在本文中，評估了使用 eGaN FET 直接驅動 eGaN FET 兼容的 Renesas ISL81807 控制器 IC 的簡單低成本同步升壓拓撲設計的 12 V 至 48 V、500 W 直流-直流電源模塊。

新興的計算應用需要更強大的功能和更小的外形尺寸。除了伺服器市場日益增長的需求外，一些最具挑戰性的應用是多用戶遊戲系統、自動駕駛汽車和人工智慧。這些應用正在產生對DC-DC轉換器的需求，這些轉換器可以在接近處理器的位置擠進主板。

計算和電信市場的快速擴展對中間總線轉換器提出了越來越緊湊、高效和高功率密度的解決方案需求。LLC諧振轉換器是一個提供高功率密度和高效率解決方案的優秀候選者。eGaN® FET 以其超低導通電阻和寄生電容，顯著減少了LLC諧振轉換器的損耗，而這在使用矽MOSFET時是具有挑戰性的。展示了一個採用eGaN FET如EPC2053 和EPC2024 的48 V到12 V、900 W、1 MHz LLC DC到DC變壓器（DCX）轉換器，其峰值效率達到98.4%，功率密度超過1500 W/in3。

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.