高效能、低碳排趋势底定 电源管理迈向高功率密度与AI时代
- 郑茨云／DIGITIMES企划
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碳税法规日益明确、能源效率成为全球共识，电源管理技术迈入关键转型期。为协助业界掌握系统设计趋势，DIGITIMES特于日前举办「高效能、低碳排–新时代电源管理 D Forum 2025电源论坛」，邀集半导体、电源模块、系统整合与量测领域专家，深入剖析技术脉动与产业挑战。
AI运算与新能源技术驱动高功率密度电能转换技术成为关键领域，国立台湾科技大学电子工程系邱煌仁教授指出，目前电源技术核心发展包括材料从矽转向氮化镓（GaN）、碳化矽（SiC）等宽能隙半导体，以提升效率与耐压，应用涵盖服务器、光伏变流器、双向转换模块与智能变压器，并强调高频、高密度、双向模块化、液冷与数码控制。
AI数据中心用电预估2030年成长3倍，传统AC-DC架构效率低，48V中压汇流排成为新趋势，具高效率与低损耗特性，RSCC架构可达98~99%效率，功率密度超过2000W/in³。氮化镓PoL模块支持AI芯片供电，具5MHz高频与1000W/in³高密度。
固态变压器(SST)透过三段式架构提升电能品质，实验证实可将电压不平衡降至0.06%、谐波与功因明显改善，已应用于Shell离岸风电制氢与Amazon EV快充。车用领域亦导入GaN、SiC双向DC-DC与全氮化镓架构，展现跨域应用潜力。
快充需求攀升，高整合氮化镓解决方案成为电源设计趋势。德州仪器应用工程师Eddie Chen表示，该公司推出首款整合GaN的Flyback转换器UCG2882x系列，专为USB-PD应用打造，涵盖45W、65W与120W（含PFC）等型号，采自供电与无辅助绕组设计，内建700V GaN FET与多项功能模块，简化系统架构并降低元件数与成本。
具QR/CCM/DCM动态切换模式与多重保护机制，65W版本峰值效率逾94%，待机功耗低于10mW（115VAC）与30mW（230VAC），符合DoE与CoC能效标准，并透过切换斜率、Valley Switching、频率展频等技术优化EMI表现。
应用涵盖手机与笔记本电脑快充、USB-C插座、壁插与多埠PD充电器等，设计参考包含高密度65W模块UCG28826EVM-093与双埠快充PMP范例设计，UCG28828则支持120W功率与PFC架构。产品采5×5 QFN封装，提供完整EVM模块与设计工具支持，协助缩短开发时程，展现高效能、低成本与高功率密度的综合价值。
2025年AI推论能耗将首度超越训练阶段，成为能耗变革转折点。英飞凌消费、计算与通讯业务行销协理张文贵指出，英飞凌以「We Power AI from Grid to Core」策略全面支持AI供电，涵盖电网、机架至处理器核心。随着AI推论运算量剧增，电力需求大幅上升，能源效率与功率密度成关键。
新一代机架Kyber RAC提升4倍功率密度，推动800V供电成新标准，需导入BPU与SuperCAP确保稳定供电。英飞凌AI电源方案整合微控制器、多相控制器、Si/CoolMOS/IGBT/SiC/GaN等开关元件、驱动器与传感器，全面对应AI供电架构。材料方面，SiC适用高压三相AC-DC电源，GaN则强化中低压DC-DC转换效率与密度。
800V直流系统可显着减少损耗，电流密度近年由0.6提升至2 A/mm²，预期2027年达3–4 A/mm²，整体供电效率预期将突破97%。英飞凌以高能源效率、材料技术优势与高可靠性支持AI服务器，并与NVIDIA等夥伴共推800V HPDC与绿色供应链，实践数码与减碳双轴转型。
AI时代对电源测试精准度与效率要求大幅提升，示波器已成为电源完整性验证核心工具。台湾是德科技技术工程师张启文表示，在电源完整性验证中，示波器扮演关键角色，是德科技测试解决方案与资源涵盖主要量测设备与工具，InfiniiVision DSOX系列为中端混合信号示波器，Infiniium EXR/MXR/UXR系列为高端数码信号分析仪支持深存储器2Gpts与先进杂讯分析，实用测试与模拟资源包含Setup Wizard快速导引电源测试设定、WaveGen加Probe架构支持PSRR与频率响应量测等，使用示波器进行电源完整性测试的核心原因在于功率电子元件与电源架构复杂化，需动态观察瞬态行为与杂讯源，传统电表或电源分析仪无法提供完整频谱与高频变化解析能力，示波器配合专用探头与软件成为设计与除错的核心工具，有效解决现代电源电子系统测试与验证的技术挑战。
AI服务器与高功率密度应用激增，GaN已成为650V以下电源转换的主流选择。罗姆半导体台湾技术中心技术顾问王向洋表示，GaN具体积小、效率高、切换快等优势，优于SiC于中低压领域的应用表现。
ROHM推出的EcoGaN技术，主打高频、高效率、零反向恢复损耗、低杂讯与简化设计流程，并透过驱动控制整合，加速客户产品开案时程。产品线依整合程度分为Discrete、SiP、Smart Discrete与All-in-One四大类，搭配DFN、TOLL、VQFN等多种封装，对应消费性电子、工业自动化、AI服务器与车用市场需求。
开发合作涵盖台达、TSMC、Mazda、DENSO等指标企业，并已成功导入AI服务器电源。Totem Pole PFC拓朴下，GaN具零反向恢复损失特性，较传统MOSFET降低90%导通损耗，大幅提升整体效率与功率密度。应用案例如Innergie 45W充电器、240W PFC模块与LiDAR参考设计，展现ROHM在第三类半导体GaN领域的完整技术布局与产业落地成果。
高整合度电源IC成为中低功率应用主流。Power Integrations FAE董育豪表示，该公司于2025年发表的TinySwitch-5系列，支持10~70W与最高190W输出，满载效率达92%、轻载超过85%、待机功耗小于30mW，符合ErP标准。
该系列内建MOSFET、驱动器、控制器与无损电流传感，采源极散热与直接温度监测技术，具可变关断时间与电流限制控制，动态调整开关频率，兼顾效率与静音表现。保护机制完整，具输入过压、输出短路与开回路错误侦测等，启动阶段支持软启动与自动重启。
实测案例如DER-1027与TNY5071K应用显示，在230V AC环境下效率超越前代产品，瞬时负载响应稳定、输出电压变动仅±0.1V，频率最高达150kHz，有效缩小变压器体积，提升整体系统效率。适用于充电器、白色家电、照明、服务器模块等，可与InnoSwitch、LinkSwitch搭配构成完整AC-DC方案，展现成本与效能兼具的优势。
AI与能源挑战推动架构革新 电源设计迎接新时代考验
数据中心电源架构正迎来剧烈变革，台达电脑及网通事业部总经理彭德智指出，AI加速器芯片功耗快速上升，单一服务器机架供电需求已达数百瓩等级，从传统130kW扩展至500kW甚至更高，挑战包括UPS误触发、公用电不稳与备援延迟等问题。台达提出PCS电容架解决方案，可削峰填谷、稳定供电品质、提升PSU寿命与效率。
进一步推动800V DC高压直流架构，减少母线损耗，配合Side Power Rack与68A Crosslink Cable实现单根54kW高功率输送。SST+HVDC创新架构则结合固态变压器与分散式DC-DC模块，支持800V至0.65V多级转换，搭配液冷与高密度模块化设计。
最终实现Grid-to-Chip全直流供电链，从33kV AC一路转换至XPU/PCIe所需的0.xV DC，全面整合PCS、SST、HVDC、PDB与DC-DC Brick等关键元件。台达作为全球少数具备从电网到芯片完整电源整合能力的供应商，展现其在AI服务器时代转换中的技术引领与策略优势。
化合物半导体成为高功率电子产业关键技术。富士康研究院半导体研究所组长萧逸楷提到，该院整合半导体、AI、网安、通讯与信息系统五大中心，聚焦EV与AI数据中心的电源技术。功率元件的GaN适用快充与服务器，SiC则适合高压逆变器与再生能源应用。
市场预估至2030年，Power SiC维持双位数成长，Power GaN则聚焦快充与数据中心。EV主流迈向800V架构，支持5分钟补充200–400km续航，MW级充电已实证。AI数据中心则需支持HVDC至0.6V多级转换，满足高密度与高热容忍特性需求。
富士康研究院自主研发1.7kV SiC MOSFET，与学研合作进行TCAD设计，并结合AI训练模型预测Break-down Voltage与优化制程，开发出1700V Trench与3300V Planar MOSFET，形成从模拟、AI训练到实测验证的完整开发流程，借此加速GaN/SiC落地，布局EV、AI、航太与医疗应用。
宽能隙半导体技术（WBG）快速导入车用与高功率应用，2025年相关可靠度验证规范大幅更新。德凯宜特资深经理陈冠玮指出，AQG 324新版于2025年4月纳入SiC四项动态测试：HTFB、DRB、DGS与Dyn H3TRB，并将测试基准从环境温度改为Tvj虚拟结温，全面定义参数与程序；AEC-Q101也将于第3季公布SiC专属附录，GaN标准预计第2季启动。新规范强调极端温高压条件下的可靠度与裸晶测试，取消HAST改采H3TRB以降低电弧风险。
动态可靠度测试原应用于逻辑IC，如今因功率元件高速切换所带来的新故障模式，成为WBG元件验证关键。过往车厂使用非车规芯片曾引发电动车异常与自燃，强化车用WBG元件测试与认证成为供应链重中之重。
DEKRA iST已取得AQG 324与AEC-Q101双认证，具备Power Tester 2400A、HTGB、H3TRB等完整设备与测试经验，并积极参与国际标准制定，协助客户强化元件验证与量产可靠性。
云端基础设施面临高功率密度、低总体成本与高稳定性挑战。ADI主任应用工程师钱一丰提到，ADI致力于提供永续、可扩展、具软件弹性的电源解决方案，以支持AI与云端高速数据处理需求。核心模块涵盖多相控制器、功率级、Hot Swap、PoL电源与监控器，应用涵盖数据中心、液冷、光模块、BBU、UPS、BMS与建筑能源管理等。
架构正从传统多段48V转换，转向高压直流（HVDC）进机架设计，减少转换次数、提升效率与散热并支持液冷与AI服务器。ADI以高功率密度、严谨可靠性、多元供应弹性、模块化扩充与低损耗绿色设计，打造完整电源模块组合，支持AI、ML、网通与存储领域需求。
未来云端架构正迈向高压直流与高密度供电，ADI横跨控制、传感与监控的系统实力，成为高效率与永续AI运算的关键技术夥伴。
电源系统正迈向高整合、智能化与功能安全。NXP资深产品行销经理陈筠仪表示，该公司致力提供从插头到处理器的完整能源管理解决方案，支持5V至800V电压范围，实现简化、安全与永续的系统设计。应用领域横跨工厂自动化、智能家庭、医疗穿戴与车用电子，对应代表产品包含PF81、PF71、FS23/24、PF09等，并导入高温、高效率、超低功耗与SIL-2安全设计。
技术亮点如FLEXGAUGE软件电量监测，无需额外BOM成本与硬件修改，具备低功耗与高精度，适用于IoT与穿戴设备；TEA2017共振式AC/DC解决方案与TEA2376 PFC控制器提供高功率密度与散热优化，应用于TV、Server与工业设备。
USB-C保护方案则提供OVP、OCP、湿气侦测与多通道支持，强化界面安全。NXP凭藉高整合软硬件平台与Vcap专利控制技术，协助客户降低开发成本、提升效率与安全性，成为工业、车用与健康应用电源管理的关键夥伴。
数据中心正面临功耗与散热双重挑战，推动供电与冷却架构重塑。DIGITIMES分析师邱欣蕙指出，至2035年数据中心用电将成长270%，驱动从集中式UPS转向模块化供电与液冷设计。BBU崛起成为UPS替代方案，预估2026年BBU渗透率达30%。
高密度机柜空间受限也促使供电架构由In-Rack转向Off-Rack，采Power Sidecar侧边机柜整合PSU、PDU、BBU与超级电容，支持54V至±400VDC高压集中供电。
台厂在电源芯片、BMS、PSU、液冷与系统整合等环节全面布局，包含台达、光宝、顺达、纬颖、广达、富士康等积极导入OCP ORv3与液冷墙设计，台达更推出800V、92%效率Grid-to-Chip架构。AI时代的数据中心重塑趋势已定，模块化电源、液冷与BBU成三大支柱，台湾供应链正稳步进入国际CSP核心生态。
