英偉達帶頭沖鋒800V直流，功率芯片廠商迎來新機遇

在 OCP 全球峰會上，英偉達（NVIDIA）聚焦于千兆瓦級 AI 工廠的未來發(fā)展，帶來一系列前沿技術(shù)與創(chuàng)新成果展示，其中 800V 直流（VDC）技術(shù)成為一大亮點，引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心能源架構(gòu)變革。

相較于傳統(tǒng) 415 或 480V 交流（VAC）三相系統(tǒng)，800V 直流架構(gòu)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。從物理傳輸層面來看，相同的銅線纜在 800V 直流下可傳輸超過 150% 的功率，以往單個機架供電所需的 200 公斤銅母線可以大幅減少，為客戶節(jié)省數(shù)百萬美元成本。

在數(shù)據(jù)中心實際應(yīng)用中，800V 直流架構(gòu)提升了系統(tǒng)的可擴展性，讓數(shù)據(jù)中心能夠輕松應(yīng)對不斷增長的算力需求；其更高的能源效率，減少了電力傳輸過程中的損耗，契合當下綠色節(jié)能的趨勢；同時，降低了材料使用量，優(yōu)化了成本結(jié)構(gòu)，并且為數(shù)據(jù)中心帶來更高的性能容量。實際上，電動汽車和太陽能行業(yè)早已因類似效益采用 800V 直流基礎(chǔ)設(shè)施，如今，數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域也正迎來這一變革浪潮。

富士康積極響應(yīng)，公布了為 800V 直流打造的 40 兆瓦臺灣高雄 1 號數(shù)據(jù)中心；CoreWeave、Lambda 等 20 多家行業(yè)先驅(qū)也紛紛投身 800V 直流數(shù)據(jù)中心設(shè)計。此外，Vertiv 推出了節(jié)省空間、成本和能源的 800V 直流 MGX 參考架構(gòu)，惠普宣布支持相關(guān)技術(shù)，共同完善 800V 直流生態(tài)。

20 多家 NVIDIA 合作伙伴正在幫助提供符合開放標準的機架服務(wù)器，助力未來的千兆瓦級 AI 工廠。

芯片提供商：亞德諾半導體（Analog Devices, Inc.，ADI）、AOS、宜普電源轉(zhuǎn)換（EPC）、英飛凌（Infineon）、 Innoscience、芯源系統(tǒng)（MPS）、納微半導體（Navitas）、安森美（onsemi）、Power Integrations、瑞薩（Renesas）、立锜科技（Richtek）、羅姆（ROHM）、意法半導體（STMicroelectronics）和德州儀器（Texas Instruments）

電源系統(tǒng)組件提供商：BizLink、臺達（Delta）、偉創(chuàng)力（Flex）、GE Vernova、領(lǐng)益科技（Lead Wealth）、光寶科技（LITEON）和麥格米特（Megmeet）

數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)提供商：ABB、伊頓（Eaton）、GE Vernova、Heron Power、日立能源（Hitachi Energy）、三菱電機（Mitsubishi Electric）、施耐德電氣（Schneider Electric）、西門子（Siemens）和 Vertiv。

其中，包括中國大陸及臺灣地區(qū)的合作伙伴數(shù)量不少，特別是英諾賽科成為了本土芯片行業(yè)唯一一家合作伙伴，另外也有包括PI等公司新進加入到了生態(tài)系統(tǒng)中。

英諾賽科——唯一氮化鎵IDM

作為業(yè)內(nèi)唯一的全棧氮化鎵供應(yīng)商及領(lǐng)先的氮化鎵IDM企業(yè)，英諾賽科是唯一實現(xiàn)1200V至15V氮化鎵量產(chǎn)的公司，可提供從800V到1V的全鏈路解決方案。這使英諾賽科成為唯一有能力為所有轉(zhuǎn)換階段提供全GaN功率解決方案的供應(yīng)商，從容應(yīng)對未來架構(gòu)為滿足更高功率需求的演變。

英諾賽科官方表示，基于48V電壓的傳統(tǒng)人工智能系統(tǒng)正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)——效率低下、銅耗過高，超過45%的總功耗耗費在散熱上。未來的人工智能集群（如搭載超過500塊GPU的機架）若沿用舊式PSU電源設(shè)計，將無空間容納計算單元。800 VDC架構(gòu)正是支持系統(tǒng)從千瓦級躍升至兆瓦級的解決方案。

除了向800V機架電源過渡外，該架構(gòu)還要求在800V到1V的電壓轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)超高功率密度和超高效率。只有氮化鎵功率器件（GaN）能夠同時滿足這些嚴苛要求。

為滿足800 VDC的功率密度要求，電源開關(guān)頻率必須提升至近1MHz，以縮小磁性元件和電容器的尺寸。現(xiàn)有機架式電源的典型開關(guān)頻率最高約300kHz，如果提升至1MHz可使磁芯尺寸縮減約50%。

英諾賽科第三代氮化鎵技術(shù)具備決定性優(yōu)勢：

在800V輸入側(cè)，英諾賽科氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）相比在每個開關(guān)半周期內(nèi)可降低80%的驅(qū)動損耗和50%的開關(guān)損耗，從而實現(xiàn)整體功耗降低10%。

在54V輸出端，僅需16顆英諾賽科氮化鎵器件即可實現(xiàn)與32顆硅MOSFET相同的導通損耗，不僅將功率密度提升一倍，還使驅(qū)動損耗降低90%。

與現(xiàn)有機架架構(gòu)中的硅MOSFET相比，800 VDC的低壓電源轉(zhuǎn)換階段采用氮化鎵材料可將開關(guān)損耗降低70%，并在相同體積內(nèi)實現(xiàn)功率輸出提升40%，大幅提升功率密度。

基于氮化鎵的低壓功率級可擴展以支持更高功率的GPU型號，其動態(tài)響應(yīng)得到提升，同時降低了電路板上的電容成本。

Power Integrations——業(yè)界唯一1700V氮化鎵供應(yīng)商

Power Integrations產(chǎn)品開發(fā)副總裁Roland Saint-Pierre表示：“隨著人工智能對電力需求的不斷增長，采用800VDC輸入方案可簡化機架設(shè)計、提高空間利用效率并減少銅材用量。隨著機架電力需求的不斷攀升，我們認為1250V和1700V PowiGaN器件是主電源和輔助電源的理想選擇，它們能夠滿足800VDC數(shù)據(jù)中心所需的效率、可靠性和功率密度要求。”

Power Integrations的InnoMux2-EP IC，它是適用于800VDC數(shù)據(jù)中心輔助電源的獨特解決方案。InnoMux-2器件內(nèi)集成的1700V PowiGaN開關(guān)支持1000VDC輸入電壓，其SR ZVS工作模式在液冷無風扇的800VDC架構(gòu)中可為12V系統(tǒng)提供超過90.3%的效率。

市面上大部分制造商提供的商用器件通常具有低于200V的額定耐壓，或其額定耐壓介于600V至650V之間。在650V以上電壓領(lǐng)域，僅有少數(shù)制造商推出了900V額定耐壓的GaN HEMT。基于硅襯底的商用GaN HEMT技術(shù)難以實現(xiàn)900V以上的電壓擴展，因為這需要極厚的緩沖層，從而帶來顯著的工藝挑戰(zhàn)。

因此，需要額定耐壓1200V及以上寬禁帶功率器件的應(yīng)用一直受限于使用SiC開關(guān)器件。然而，與SiC相比，GaN能夠?qū)崿F(xiàn)更高的開關(guān)頻率，在保持高效率的同時，為滿足AI數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用日益增長的功率密度需求提供了可行路徑。Power Integrations采用其專有PowiGaN技術(shù)制造的GaN HEMT具有獨特的優(yōu)勢，可在實際器件中實現(xiàn)極高額定耐壓（高達1700V），使其成為替代1200V SiC器件及更高電壓器件的現(xiàn)成且極具吸引力的選擇。

為在800VDC母線應(yīng)用中充分發(fā)揮GaN的優(yōu)勢，通常會采用兩個650V GaN器件進行串聯(lián)堆疊的半橋結(jié)構(gòu)，共計使用四個650V GaN器件。雖然這種堆疊拓撲結(jié)構(gòu)可以在GaN所能達到的高頻下工作，但它帶來了若干挑戰(zhàn)，包括控制復雜性增加、輸入電壓不平衡導致的可靠性風險、占用空間增大以及導通損耗增加，從而導致效率降低和成本上升。相比之下，在此應(yīng)用中采用1250V額定耐壓的PowiGaN開關(guān)，不僅能顯著簡化功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)，更能充分利用GaN的特性——正是這些使其成為理想的高頻功率開關(guān)。

利用1250V的PowiGaN共源共柵開關(guān)，電源設(shè)計人員可以非常放心地明確其設(shè)計可以工作于1000V的峰值VDS，同時滿足80%的行業(yè)降額標準。對于工作峰值VDS超過1000V且高達1360V的應(yīng)用場景，采用1700V PowiGaN共源共柵開關(guān)可讓用戶設(shè)計出同樣高效的電源方案，但此時卻是在更高的電壓下工作。

上圖顯示了Power Integrations的共源共柵架構(gòu)示意圖。1250V/1700V GaN HEMT是一款基于Power Integrations的專有PowiGaN技術(shù)制造的常開、耗盡型器件。它與低壓硅MOSFET串聯(lián)，形成共源共柵結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)有效的常關(guān)操作，這對于電力電子系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。耗盡型GaN器件被認為具有極高的可靠性，因為它們無需p型GaN柵極層。因此，它們避免了閾值電壓漂移及相關(guān)的不穩(wěn)定性問題，確保了長期穩(wěn)定性。

PI對比了采用650V增強型GaN器件與1250V PowiGaN器件的800VDC、12.5V輸出固定比的LLC拓撲結(jié)構(gòu)對比。由于采用了快速開關(guān)的GaN器件，這兩種方案都可以在800VDC輸入下以超過500kHz的高頻率進行工作。不過，對于650V堆疊拓撲結(jié)構(gòu)，將帶來若干挑戰(zhàn)：

輸入電壓不平衡：正常工作期間的輸入電壓不平衡必須得到妥善控制。如果半橋之間出現(xiàn)不平衡，GaN器件兩端的應(yīng)力電壓可能會超過預(yù)期的約400V。在這種較高的電壓應(yīng)力下，由于HEMT的2DEG通道內(nèi)的電流捕獲效應(yīng)，動態(tài)RDS(ON)退化將變得更加明顯。這些限制凸顯了在800VDC輸入系統(tǒng)中采用650V增強型GaN堆疊結(jié)構(gòu)時存在的可靠性與效率風險。

復雜的驅(qū)動設(shè)計：堆疊拓撲結(jié)構(gòu)還會增加設(shè)計復雜性，特別是在柵極驅(qū)動電路中。每個半橋都需要專用上管驅(qū)器及隔離偏置電源，這進一步增加了系統(tǒng)成本、占用空間和設(shè)計負擔。

效率較低且成本較高：采用具有相同RDS(ON)的GaN器件時，與1250V PowiGaN單管半橋拓撲結(jié)構(gòu)相比，堆疊拓撲結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更高的導通損耗。這意味著1250V PowiGaN設(shè)計可采用RDS(ON)值高出2倍的器件，同時仍能實現(xiàn)相同的整體效率和損耗特性。

另外，與具有近似RDS(ON)的1200V SiC MOS相比，1250V PowiGaN可以實現(xiàn)更高頻率的LLC，從而實現(xiàn)更高的開關(guān)密度。

德州儀器——最全的產(chǎn)品組合

針對800V電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)，德州儀器可以提供氮化鎵（GaN）功率級、數(shù)字電源控制器、多相降壓穩(wěn)壓器、DC/DC 負載點降壓轉(zhuǎn)換器、熱插拔控制器、隔離柵極驅(qū)動器等產(chǎn)品，支持 800VDC 架構(gòu)下的高效高密度電源轉(zhuǎn)換。

目前，800VDC存在著兩種轉(zhuǎn)換架構(gòu)，一種為三段轉(zhuǎn)換架構(gòu)（800V→50V→12.5V/6.25V→<1V）：800V 經(jīng) 16:1 IBC 轉(zhuǎn)換為 50V（效率 98%），再經(jīng) 4:1 IBC 轉(zhuǎn)換為 12.5V（效率 98%），最后通過多相降壓穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為核心電壓（效率 92%），整體峰值效率約 88%。

可變方案為：將 4:1 IBC 替換為 8:1 IBC（50V→6.25V，效率約 97.5%），多相穩(wěn)壓器效率提升至 92.5%，整體效率仍約 88%，且更低輸入電壓可支持更高開關(guān)頻率，減小尺寸、改善瞬態(tài)性能并支持背面安裝。

另外一種架構(gòu)是兩段轉(zhuǎn)換架構(gòu)（800V→12.5V/6.25V→<1V）：

64:1 IBC 方案：800V 經(jīng) 64:1 IBC 直接輸出 12.5V（效率 97%），搭配多相穩(wěn)壓器（效率 92%），整體效率約 89%，可省去 4:1 IBC，節(jié)省尺寸和成本。

128:1 IBC 方案：800V 經(jīng) 128:1 IBC 輸出 6.25V（效率 96.5%），多相穩(wěn)壓器效率 90%，整體效率約 89%，但存在大電流挑戰(zhàn)（6.25V 時電流達 2.4kA-3.2kA），需大尺寸導體（如母線）和多模塊并聯(lián)以控制電路板損耗。

德州儀器表示，800VDC 架構(gòu)下，兩階架構(gòu)效率更高，功率密度也更大，但中高轉(zhuǎn)換比 IBC 的大電流輸出導致電路板損耗控制困難，需采用多模塊并聯(lián)。

總體而言，電源芯片需要越來越高的能量轉(zhuǎn)換效率（降低數(shù)據(jù)中心運營成本、減少熱損耗及空調(diào)開銷）、小尺寸（電源組件占用電路板空間有限）、高可靠性及滿足多相穩(wěn)壓器和負載點降壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)等性能要求。

結(jié)尾

實際上，在NV公布800V生態(tài)系統(tǒng)之后的這段時間，正在納入越來越多的合作伙伴，其中氮化鎵的需求增長迅速。人工智能工作負載的指數(shù)級增長正在重塑數(shù)據(jù)中心格局，對功率密度、效率和可擴展性產(chǎn)生了前所未有的需求。傳統(tǒng)的硅基電力電子器件和 54 伏架構(gòu)已無法滿足下一代 AI 工廠對數(shù)兆瓦級電力的需求。從電網(wǎng)直接到 GPU 的 800 伏直流架構(gòu)轉(zhuǎn)型，標志著一個根本性的轉(zhuǎn)折點 —— 它支持兆瓦級機架功率傳輸，大幅降低銅材與散熱成本，并顯著提升系統(tǒng)整體效率。

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