瑞萨丨大咖谈技术 为AI数据中心供电:氮化镓(GaN)正成为焦点

发布时间:2026-04-15 10:15
作者:AMEYA360
来源:瑞萨
阅读量:1185

  在数据中心设计的新纪元,人工智能(AI)正深刻重塑电力的生成、分配和应用方式,以驱动实时、数据导向的成果。传统的云数据中心围绕相对可预测的CPU工作负载进行优化,而现代AI数据中心则以加速器密集型系统为核心,其运行特性截然不同。这些需求正促使业界对数据中心电源架构进行根本性重构,进而加速氮化镓(GaN)半导体的普及应用。

  剖析AI数据中心的电力挑战

  相较于早期的云基础设施,AI数据中心呈现出两大显著特征:更高的电力消耗,以及功耗动态变化的急剧增加。传统数据中心的服务器电源柜的功率上限可能最高为30千瓦。而如今,AI系统的单个电源柜运行功率已跃升至50千至300千瓦之间(具体数值因供应商而异),按照这一趋势,预计到明年,单个机柜的功率甚至有望突破1兆瓦大关。在电源功率如此飙升的背景下,功率分配和电力转换已无法再作为后台的辅助环节被忽视。

  为了实现AI应用的可持续规模化扩展,电源架构必须迈向更高效、更紧凑,且更具适应性的新阶段。简而言之,电力已从昔日的运营支出项,演变为复杂且资本密集型的核心考量因素。并且,只要对算力的渴求继续由日益庞大的AI模型所驱动,这一趋势就将长期持续。

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  AI推动新型电源架构

  这场变革最明显的标志之一,便是从传统的415V交流(AC)配电向800V直流(DC)(或±400V直流)架构演进。更高电压可降低传输电流、减少传导损耗,并全面提升系统效率。与此同时,这也对电力转换环节及其核心器件的性能提出了全新要求。

  深入服务器机架内部观察,可看到AI加速器已成为重塑数据中心供电方式的关键驱动力。这些计算引擎早已超越单一芯片范畴,演变为庞大而复杂的分布式系统。单个AI计算单元(或称“超级集群”)最多可容纳9,000个加速器、4,500个CPU、庞大的光纤互连网络,以及配套的电源管理模块、水泵和液冷基础设施。这还仅仅是一个单元,超大规模数据中心每年部署的此类单元可达数百个之多。

  更少的转换环节,更高的电压

瑞萨丨大咖谈技术 为AI数据中心供电:氮化镓(GaN)正成为焦点

  面对日益加剧的压力,数据中心运营商正在重新审视电力到芯片的整个传输链路。一大核心转变是采用更高电压的直流配电方案,包括800V(或±400V)直流架构,业内甚至已开始探讨未来实现1,200V或1,600V直流方案的可行性。

  其背后的逻辑直指效率:每一个中间电力转换环节都意味着能量的损耗。在传统拓扑结构中,电力以交流电(480V三相交流)形式输入,需经历数次形态转换:先转换为直流电用于电池充电,再逆变为交流电进行配电(415V交流),最终再次转换为直流电(48V)供机架及板级使用。减少转换步骤能显著提升端到端效率,让更多来自电网的电能真正用于计算任务。

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  这些变化正在重塑功率半导体的角色。例如,在高压应用场景下,固态变压器正逐步取代传统的油浸式线路变压器。通过一系列新物料应用使得新一代电源设计能在更高频、高压下提高效率。

瑞萨丨大咖谈技术 为AI数据中心供电:氮化镓(GaN)正成为焦点

  与此同时,机架功率的激增正推动交流/直流转换从服务器机箱内部转移至独立机柜。目前,相当一部分宝贵的机架空间被用于部署将415V交流电转换为48V直流电的设备。由于机架空间寸土寸金,电力转换硬件如今占据了高昂的空间成本。将这些转换环节集中至一个专用机柜,不仅能为AI计算单元腾出更多空间,还能更有效地集中管理散热。

  为何是GaN,又为何是现在?

  GaN的普及步伐加快,根源在于AI数据中心将其两大核心优势放大了:在紧凑尺寸下实现高压能力,以及快速高效的开关性能。

  与硅器件相比,GaN器件能在更小的芯片内承受更高反压。GaN的高电子迁移率和饱和速度使其开关频率可达到兆赫兹(MHz)级别,而硅器件通常运行的开关频率远低于此。此外,GaN的固有寄生电容低于硅,能够实现更快的开关速度且损耗更低。

  从系统层面看,开关频率与磁性元件及无源器件的尺寸成反比。如果设计人员能提高开关频率,便可缩小磁性元件体积,并减少电力转换环节的占板面积。消费电子领域已经通过微型快充产品成功展示了这一趋势。如今,AI基础设施正采用同样的策略,只是其规模已跃升至千瓦乃至兆瓦级别。

  GaN的“黄金应用区间”:

  800V至48V转换与双向供电

  在AI数据中心的电源链路中,不同的电压区间恰如其分的适配着不同材料。在数千伏的超高电压等级中,碳化硅(SiC)于固态变压器应用中大放异彩,而GaN在数据中心中最合宜且近期最具潜力的应用场景,当属从约800V高压到中间电压(如48V,特定情况下为12V)的转换环节。800V至48V的转换阶段正是GaN的“黄金应用区间”,在此区间内,GaN展现出比硅具有更高的效率、更稳定的运行性能和更快的开关速度。

  此外,AI数据中心还在交流/直流转换环节催生了双向供电的需求。这主要源于大型AI加速器极端瞬态变化的负载特性。当负载快速波动时,存储在电容元件中的能量要么以热能形式耗散,要么被智能地回收利用。双向架构使得能量在负载激增时能迅速流入系统,在能量过剩时又能回输至系统储能装置——这一概念与汽车的再生制动系统异曲同工。

  双向GaN器件极大的简化了此类设计。例如,以往需要四个分立式MOSFET构建的全桥电路,如今两个双向GaN器件即可胜任。瑞萨电子近期推出的首款双向GaN开关便是一例:该产品采用单级电力转换替代了传统的两级架构,进一步提高了效率。

  瑞萨电子:

  将GaN定位为系统级解决方案

  AI数据中心的创新节奏之快,已使设计人员无法再通过逐个优化元器件来构建系统。产品开发周期曾以三到四年为衡量,如今已缩短至12到15个月。这意味着AI数据中心架构师需要的是端到端的电源解决方案,以及全面、长远的规划蓝图,而非将整合风险转嫁给系统设计人员的零散产品组合。

  依托数十年的电源技术积累,瑞萨深知:要降低GaN的采用门槛并缩短设计周期,离不开控制器、栅极驱动器与保护器件的协同设计,再辅以完善的参考设计和专业的技术支持。我们在应用电力电子会议(APEC)上最新发布的GaN解决方案,正是这一系统级理念如何转化为更快速、更低风险设计的生动例证。

  通过收购Transphorm公司及其高压SuperGaN® D-mode GaN FET技术,瑞萨电子的市场地位得到了进一步的巩固。我们致力于为数据中心OEM厂商提供从器件级创新到系统级支持的全方位赋能,从而加速其评估进程,缩短产品设计周期。

  普及之路的挑战与未来展望

  尽管GaN优势显著,但其全面普及仍面临挑战。成本、严苛的认证要求,以及设计人员的熟悉程度,都将影响其普及速度。展望未来三至五年,GaN在AI数据中心内的集成深度,将取决于供应商能否通过有效的技术培训、便捷的设计工具和经充分验证的可靠性,切实化解这些顾虑。

  可以预见的是,AI工作负载将持续推动电源架构向更高密度和更高效率的方向演进。对于数据中心架构师而言,GaN是在避免能源消耗失控增长的前提下,推动AI算力持续突破的关键路径。对于习惯在效率上渐进式提升的功率半导体供应商来说,这更标志着电力传输方式的一次根本性转变。随着这一趋势的深化,那些曾让硅材料占据优势的权衡取舍,如今正使GaN的优势日益凸显。当下的问题已不再是GaN能否在AI数据中心占据一席之地,而是它将以多快的速度、多广的范围内被部署应用。

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2026-10-22 09:31 阅读量:266
瑞萨丨车载充电器(OBC)和直流/直流转换器拓扑结构如何塑造下一代电动汽车电源电子设备
  随着消费者对于更快的充电速度、更长的续航里程以及性价比更高的电动汽车的需求不断增长,车载充电器(OBC)在电池寿命中的作用比以往任何时候都更加关键。  传统电动汽车采用两级OBC架构,因为它可以将电网侧的电能质量控制和电池侧的隔离和调节进行彻底分离。前级功率因数校正(PFC)整流器可调节交流输入并产生高压直流电,而后级隔离式直流/直流转换器则提供电气隔离并精确调节电压,从而实现安全的电池充电。然而,随着800V高压平台成为主流以及功率级别上升到11kW甚至更高,这种两级设计的局限性(包括尺寸庞大、效率低下和成本高昂)已日益凸显。  两级OBC:成熟却受限的设计  两级转换器概念示意图  两级OBC串联功率转换过程  两级OBC是行业主流方案,由两个依次串联的功率转换级组成:  前级PFC:将电网交流电转换为稳定的直流母线电压,同时实现单位功率因数(PF>0.99)和较低的THD(<5%),从而满足国际电网标准。交错图腾柱PFC(采用SiC/GaN器件)之类的拓扑结构在其中占主导地位,它们具有优秀的效率但却需要专用的升压电感器和直流链路电容器。  隔离式直流/直流:将直流母线电压转换为牵引电池所需的电压(~500V至900V,用于800V系统),同时提供电气隔离。主流拓扑结构包括LLC谐振转换器(用于提高效率)和双有源桥(DAB)(用于实现双向车联网(V2X)功能)。  虽然这种架构十分成熟,但却存在天然局限性:  元器件冗杂:两级意味着重复的功率器件、磁性元件和控制电路,徒增物料成本、尺寸和重量。  级联效率损耗:即使每级可达到97%的效率,但整体系统效率仍会降至94.1%,这是大功率电动汽车的一大关键缺陷。  可靠性瓶颈:庞大的直流链路电解电容器是限制两级设计寿命的元件,导致整体系统寿命缩短(通常为5至8年)。  功率密度限制:由于需要大型电感器、电容器和双热管理系统,系统功率密度受到限制,导致其难以满足现代电动汽车对紧凑尺寸的要求。  引入单级OBC直流/直流架构  通过将PFC和隔离式直流/直流转换技术整合进单个功率转换级中,单级OBC直流/直流转换器成功解决了这些问题。因此系统无需再使用中间直流母线及其相关元件。  单级OBC DC/DC转换器示意图  基于矩阵转换器的设计利用双向GaN开关,可大幅减少直流链路储能需求,从而实现超高功率密度,但需要先进的控制算法。  应用单级设计的关键前提条件是宽带隙(WBG)半导体(SiC/GaN)。这些器件支持更高的开关频率(对于GaN,可达900kHz),能够减少开关损耗,并构建紧凑的磁性元件,这对于降低单级拓扑结构较高的复杂度来说至关重要。  单级OBC直流/直流转换器的优势  单级OBC直流/直流转换器在效率、尺寸、成本和功能方面具有颠覆性的优势,能够满足下一代电动汽车的迫切需求。  出色的功率密度:  适用于电动汽车封装的紧凑设计  此方案的一大直接优势是显著减小尺寸和重量。通过省去直流链路电容器、升压电感器和冗余元件,与两级设计相比,单级设计可将OBC的整体体积缩小多达50%。  更高的系统效率  单级转换消除了中间直流母线损耗,可使整体系统效率的提升幅度达到2%。提升效率的关键因素包括:  单功率转换:消除了两级的级联损耗。  宽ZVS范围:WBG器件可实现零电压开关,并具有较宽的ZVS工作范围,充分减少开关损耗。  减少导通损耗:更少的半导体和更低的均方根电流可减少导通损耗。  更低的物料成本  虽然WBG半导体增加了前期成本,但无源元件(电感器、电容器)和功率器件数量的减少可在很大程度上抵消此劣势。  其他成本优势包括:  简化的热管理:单个热回路可降低冷却系统复杂性和成本。  更少的PCB层数和组装步骤:简化制造流程并缩短生产时间。  提升可靠性:延长系统寿命  直流链路电解电容器是两级OBC可靠性的主要瓶颈,通常仅可持续使用5到8年。单级设计不再使用这些大型电解电容器,而是采用长寿命的薄膜电容器;在矩阵转换器拓扑结构中,甚至可以完全省去直流链路电容器。  这有助于提高系统可靠性,减少维护成本和保修索赔次数,并提高其对高温工作环境的适应能力(可达125°C)。  当前挑战和未来前景  虽然单级OBC直流/直流转换器具有颠覆性的优势,但它们同样面临着挑战。主要的阻碍是控制更加复杂。包括:  EMI设计复杂性:更高的开关频率和单级转换需要更加复杂的EMI滤波技术才能满足汽车EMC标准。  控制算法调优:针对较宽的输入/输出电压范围需求校准单级控制器,需要耗费大量工程资源。  然而,随着技术的快速进步,这些挑战正逐步得到解决。智能算法可实时优化调制策略,从而简化调优并改善性能,而变压器和电感器的协同设计则可减小尺寸和降低EMI,以此进一步提升功率密度。此外,随着SiC/GaN生产规模不断扩大,基于WBG的单级设计的成本溢价在不断缩小。  单级OBC直流/直流转换器代表着电动汽车充电技术的下一个前沿。通过将PFC和隔离式直流/直流转换器整合到单级中,它解决了传统两级设计在尺寸、低效和成本方面的核心局限性,同时还可解锁双向V2X功能等新特性。
2026-10-21 09:44 阅读量:299
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