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 工廠的未來發展，帶來一系列前沿技術與創新成果展示，其中 800V 直流（VDC）技術成為一大亮點，引領數據中心能源架構變革。

相較于傳統 415 或 480V 交流（VAC）三相系統，800V 直流架構展現出顯著優勢。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，為客戶節省數百萬美元成本。

在數據中心實際應用中，800V 直流架構提升了系統的可擴展性，讓數據中心能夠輕松應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，契合當下綠色節能的趨勢；同時，降低了材料使用量，優化了成本結構，并且為數據中心帶來更高的性能容量。實際上，電動汽車和太陽能行業早已因類似效益采用 800V 直流基礎設施，如今，數據中心領域也正迎來這一變革浪潮。

富士康積極響應，公布了為 800V 直流打造的 40 兆瓦臺灣高雄 1 號數據中心；CoreWeave、Lambda 等 20 多家行業先驅也紛紛投身 800V 直流數據中心設計。此外，Vertiv 推出了節省空間、成本和能源的 800V 直流 MGX 參考架構，惠普宣布支持相關技術，共同完善 800V 直流生態。

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、宜普電源轉換（EPC）、英飛凌（Infineon）、 Innoscience、芯源系統（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）

電源系統組件提供商：BizLink、臺達（Delta）、偉創力（Flex）、GE Vernova、領益科技（Lead Wealth）、光寶科技（LITEON）和麥格米特（Megmeet）

數據中心電源系統提供商：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的合作伙伴數量不少，特別是英諾賽科成為了本土芯片行業唯一一家合作伙伴，另外也有包括PI等公司新進加入到了生態系統中。

英諾賽科——唯一氮化鎵IDM

作為業內唯一的全棧氮化鎵供應商及領先的氮化鎵IDM企業，英諾賽科是唯一實現1200V至15V氮化鎵量產的公司，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換階段提供全GaN功率解決方案的供應商，從容應對未來架構為滿足更高功率需求的演變。

英諾賽科官方表示，基于48V電壓的傳統人工智能系統正面臨嚴峻的挑戰——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電源設計，將無空間容納計算單元。800 VDC架構正是支持系統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，該架構還要求在800V到1V的電壓轉換中實現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，電源開關頻率必須提升至近1MHz，以縮小磁性元件和電容器的尺寸。現有機架式電源的典型開關頻率最高約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具備決定性優勢：

在800V輸入側，英諾賽科氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）相比在每個開關半周期內可降低80%的驅動損耗和50%的開關損耗，從而實現整體功耗降低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，還使驅動損耗降低90%。

與現有機架架構中的硅MOSFET相比，800 VDC的低壓電源轉換階段采用氮化鎵材料可將開關損耗降低70%，并在相同體積內實現功率輸出提升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，其動態響應得到提升，同時降低了電路板上的電容成本。

Power Integrations——業界唯一1700V氮化鎵供應商

Power Integrations產品開發副總裁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數據中心所需的效率、可靠性和功率密度要求?！?/p>

Power Integrations的InnoMux2-EP IC，它是適用于800VDC數據中心輔助電源的獨特解決方案。InnoMux-2器件內集成的1700V PowiGaN開關支持1000VDC輸入電壓，其SR ZVS工作模式在液冷無風扇的800VDC架構中可為12V系統提供超過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以上電壓領域，僅有少數制造商推出了900V額定耐壓的GaN HEMT?；诠枰r底的商用GaN HEMT技術難以實現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。

因此，需要額定耐壓1200V及以上寬禁帶功率器件的應用一直受限于使用SiC開關器件。然而，與SiC相比，GaN能夠實現更高的開關頻率，在保持高效率的同時，為滿足AI數據中心等應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技術制造的GaN HEMT具有獨特的優勢，可在實際器件中實現極高額定耐壓（高達1700V），使其成為替代1200V SiC器件及更高電壓器件的現成且極具吸引力的選擇。

為在800VDC母線應用中充分發揮GaN的優勢，通常會采用兩個650V GaN器件進行串聯堆疊的半橋結構，共計使用四個650V GaN器件。雖然這種堆疊拓撲結構可以在GaN所能達到的高頻下工作，但它帶來了若干挑戰，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，在此應用中采用1250V額定耐壓的PowiGaN開關，不僅能顯著簡化功率變換器拓撲結構，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。

利用1250V的PowiGaN共源共柵開關，電源設計人員可以非常放心地明確其設計可以工作于1000V的峰值VDS，同時滿足80%的行業降額標準。對于工作峰值VDS超過1000V且高達1360V的應用場景，采用1700V PowiGaN共源共柵開關可讓用戶設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的共源共柵架構示意圖。1250V/1700V GaN HEMT是一款基于Power Integrations的專有PowiGaN技術制造的常開、耗盡型器件。它與低壓硅MOSFET串聯，形成共源共柵結構，以實現有效的常關操作，這對于電力電子系統的安全運行至關重要。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的不穩定性問題，確保了長期穩定性。

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拓撲結構對比。由于采用了快速開關的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堆疊拓撲結構，將帶來若干挑戰：

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。如果半橋之間出現不平衡，GaN器件兩端的應力電壓可能會超過預期的約400V。在這種較高的電壓應力下，由于HEMT的2DEG通道內的電流捕獲效應，動態RDS(ON)退化將變得更加明顯。這些限制凸顯了在800VDC輸入系統中采用650V增強型GaN堆疊結構時存在的可靠性與效率風險。

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

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單管半橋拓撲結構相比，堆疊拓撲結構會產生更高的導通損耗。這意味著1250V PowiGaN設計可采用RDS(ON)值高出2倍的器件，同時仍能實現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可以實現更高頻率的LLC，從而實現更高的開關密度。

德州儀器——最全的產品組合

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

目前，800VDC存在著兩種轉換架構，一種為三段轉換架構（800V→50V→12.5V/6.25V→<1V）：800V 經 16:1 IBC 轉換為 50V（效率 98%），再經 4:1 IBC 轉換為 12.5V（效率 98%），最后通過多相降壓穩壓器轉換為核心電壓（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頻率，減小尺寸、改善瞬態性能并支持背面安裝。

另外一種架構是兩段轉換架構（800V→12.5V/6.25V→<1V）：

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

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

德州儀器表示，800VDC 架構下，兩階架構效率更高，功率密度也更大，但中高轉換比 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。

總體而言，電源芯片需要越來越高的能量轉換效率（降低數據中心運營成本、減少熱損耗及空調開銷）、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壓器和負載點降壓轉換器的瞬態響應等性能要求。

結尾

實際上，在NV公布800V生態系統之后的這段時間，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級增長正在重塑數據中心格局，對功率密度、效率和可擴展性產生了前所未有的需求。傳統的硅基電力電子器件和 54 伏架構已無法滿足下一代 AI 工廠對數兆瓦級電力的需求。從電網直接到 GPU 的 800 伏直流架構轉型，標志著一個根本性的轉折點 —— 它支持兆瓦級機架功率傳輸，大幅降低銅材與散熱成本，并顯著提升系統整體效率。

歡迎將我們設為“星標”，這樣才能第一時間收到推送消息。

關注EEWorld旗下訂閱號：“汽車開發圈”

回復“DS”領取《DeepSeek:從入門到精通》完整版資料

掃碼添加小助手回復“進群”

和電子工程師們面對面交流經驗