雜談GaN技術

氮化鎵（GaN）正在推動功率電子技術變革，應用範圍從低電壓馬達驅動擴展至百萬瓦級人工智慧資料中心。在本次訪談中，EPC 詳細介紹了第七代以及即將推出的第八代氮化鎵元件如何在電容、面積和功率密度等方面實現相較矽元件最高達 5 倍的優勢，從而開拓 40 V 及以下市場，並為 GPU 實現先進的負載點電源轉換。討論內容涵蓋採用 48 V 匯流排的高效能機器人、面向 800 V 系統的多電平 ISOP 拓撲、透過參考設計實現快速原型開發，以及氮化鎵在太空應用中日益重要的作用。

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。