AI服务器供电进入高功率时代 英飞凌以GaN与BDS回应800V HVDC设计

AI服务器的CPU与GPU功率持续提高，电源系统同时面临转换效率、功率密度、散热与机构空间等限制。英飞凌以「We Power AI from Grid to Core」为布局主轴，涵盖高压直流供电（HVDC）趋势下从电网端、AC-DC电源供应器（PSU)、电池备援模块（BBU)、中间汇流排转换器（IBC），以及接近运算芯片的48V后级电源。

英飞凌消费、计算与通讯业务协理张文贵指出，各环节的电压、功率及切换频率不同，功率元件也需依实际条件配置；SiC适合高电压、高功率应用，GaN则能在高频切换、转换效率及有限空间中发挥优势。

以现阶段技术而言，40V以下应用中，矽MOSFET与GaN的效能差距仍有限；当电压来到60V至200V，GaN在导通电阻及闸极电荷等指标上已有较明显优势。因此，在接近CPU、GPU的48V转12V或6V电源转换环节，GaN可协助降低传导与切换损耗，也让电源业者有更多拓朴设计空间。48V后级电源处理的是接近运算芯片的降压需求；面对机柜功率大幅提高，前段如何以800V HVDC有效送电，也成为英飞凌布局的重点之一。

因应800V HVDC 三种形态对应不同系统设计

800V HVDC成为AI数据中心的重要发展方向，但实际进入服务器机柜时，仍有不同的电源架构选择。张文贵指出，英飞凌目前将相关应用分为电源模块、配电板及HVDC电源供应器三种形态，分别对应不同的功率密度、机构空间与系统整合需求。

第一种是采用四分之一砖（quarter-brick）、半砖（half-brick）与全砖（full-brick）等标准尺寸的电源模块。张文贵以四分之一砖约3kW、半砖6kW及全砖12kW为例，介绍不同模块尺寸所对应的功率等级。他提到这类模块空间有限，切换频率可能拉高至800kHz甚至1MHz以上。GaN具备高频切换与低损耗特性，有助缩小磁性元件及电源模块尺寸，适合用于这类讲求功率密度的设计。

第二种是配电板（Power Distribution Board；PDB），空间限制虽较电源模块宽松，仍须兼顾转换效率、功率密度与散热。英飞凌将电源模块与PDB归入中间汇流排转换器（IBC）的应用范围，也是现阶段GaN较明确的应用位置。

第三种HVDC电源供应器的外形接近既有AC-DC电源供应器，输入端则改为800V直流电。由于体积较大，功率密度要求相对低于模块，也较容易沿用既有PSU的设计、制造与维修经验。张文贵表示，市场过去多认为高密度AI服务器必须采用IBC，如今系统业者提出的实作方式更加多元，HVDC电源供应器的导入进度甚至可能快于电源模块与PDB。

在电源模块与PDB等高频、高密度应用中，GaN已有明确的效能优势，但架构适用不代表客户能立即导入。PCB改版、驱动电路、散热配置及验证时程，仍是电源业者评估新元件时的实际负担。

为降低转换门槛，英飞凌推出3×3及5×6封装的中压GaN产品，脚位配置与既有矽MOSFET兼容，并同步提供对应的驱动芯片。客户可沿用原有板型及封装架构评估GaN，缩小电路修改范围，并在相同封装尺寸下，取得较低的导通电阻与闸极电荷，减少传导及切换损耗。

英飞凌也将GaN的应用由一次侧延伸至二次侧同步整流。在800V降压至12V或6V的架构中，高低压电路之间必须符合强化隔离要求，因此一次侧与二次侧均会影响整体转换效率。透过Pin-to-Pin兼容封装及驱动方案，客户可依产品开发进度，分阶段评估二次侧改用GaN的效益。此外，张文贵也厘清，48V转12V或6V多采非隔离架构，没有一次侧与二次侧之分；上述设计主要用于800V高压转换情境。

英飞凌BDS整合双向开关功能  减少元件与导通损耗

除了透过Pin-to-Pin设计处理GaN导入既有电路时的改版问题，英飞凌也利用GaN的横向结构，简化传统双向开关所需的元件配置。一般MOSFET具有本体二极管，单一元件关断后仍可能出现反向电流。若系统需要双向导通及双向阻断，通常必须将两颗MOSFET以背靠背方式串联，不但增加元件数量与板面空间，串联后的导通电阻也会提高，带来额外电力损耗。

张文贵说明，传统矽MOSFET多采垂直结构，GaN则具备横向结构。英飞凌利用此项特性，在元件两端分别设置闸极，透过两组闸极控制两端的导通与关断，使单一双向开关（Bi-Directional Switch；BDS）即可执行双向导通与阻断功能。相较两颗MOSFET背靠背串联，BDS可减少开关元件数量，降低导通电阻、功耗与电路板空间，也有助简化系统设计及物料配置。

BDS最早的应用之一是电池管理系统。智能手机需要控制电池的充电与放电，过去多以两颗MOSFET组成双向开关，英飞凌的低压BDS则可用单一元件完成相同功能。这项应用显示，GaN已由外部充电器进入终端装置内部，也为BDS延伸至高功率电源累积实际应用经验。

BDS切入高功率电源的机会，来自AI服务器功率规格提高后的供电架构变化。张文贵表示，GB200、GB300时代的AI服务器电源规格约为5.5kW及12kW，下一代Vera Rubin则可能达到18.5kW。功率提高后，电源输入将由单相改采三相，PFC拓朴也将由图腾柱式转向三相维也纳架构。

维也纳PFC设有三组双向开关位置，传统设计需要六颗背靠背串联的MOSFET。英飞凌BDS可望以三颗双向开关完成相同功能，减少元件数量、导通损耗及电路空间，成为GaN切入AI服务器高功率电源的另一条路径。

当IT机柜功率提高至660kW甚至1.2MW，供电模块也可能移出运算机柜，整合至独立的侧挂式供电机柜（Power Sidecar），三相维也纳PFC便位于其中的电源供应器。这类超高功率应用目前仍以SiC元件较为成熟，英飞凌希望藉由BDS的双向开关功能，为GaN开辟新的应用位置。

张文贵表示，面对800V HVDC多种架构并行，以及成本、可靠度与量产验证等要求，英飞凌已布局不同电压与功率等级的GaN元件，并提供兼容封装、驱动芯片与BDS双向开关方案，可协助客户依系统架构选择合适元件，缩小改版范围，加快高功率电源的开发与验证进度。