人工智能的日益普及，推动了专注于AI的数据中心在2025年的用电量增长50%，而同期全球总用电量仅增长了3%。这种快速增长态势将持续，预计到2030年，这些数据中心的用电量将达到950太瓦时(国际能源署，2026年)。

这种电力增长不仅源于数据中心数量的增加，更源于其功率密度的迅速提升。用于AI的最新图形处理器(GPU)功耗已超过1千瓦，较上一代的500瓦大幅增加。组件功耗的提升，加上在单个机架内增加GPU数量的压力，正推动单个机架的功耗达到1兆瓦。

当你意识到，尽管这些机架体积仅相当于一台大型冰箱，但预计到2027年，单个机架的耗电量将相当于65户家庭时，其功率密度便显而易见了。(国际能源署，2026年)。

这种能源需求已导致配电网络和所需电源供应的转变。英伟达(Nvidia)目前提议在数据中心内以800V直流电压向AI服务器配电，而非采用带48V电力总线的交流配电。这要求设计更小、更高效的新型电源，以减少损耗。

这些趋势对数据中心内部的配电和转换产生了巨大影响。在千兆瓦级电力分配中，减少损耗、提高电源效率至关重要。效率提升几个百分点，例如从97%提升至99%，就能节省大量电力，带来运营成本节约和环境效益。

更高的效率也意味着所需冷却更少，节省了所需水或介电液的成本，并使得电源系统可以更小巧。新的封装技术也有助于简化冷却系统设计，使电源更小，从而能在机架中容纳更多GPU。

氮化镓(GaN)技术因其能比其他半导体技术实现更高频率的开关，从而能以更小的体积提供更高的效率。

但采用该技术并非像在电源中用氮化镓器件直接替代硅器件那样简单。氮化镓需要更复杂的栅极驱动，电压范围从-3V到+6V不等。这意味着需要不同的器件驱动器，并满足更复杂的时序要求。

ICeGaN

为具有低导通电阻(RDS(ON))的650V氮化镓晶体管添加一个栅极接口，可以极大地简化其在AI服务器电源设计中的使用。这使得标准的、典型偏置电压为12V至15V的MOS驱动器芯片能够用于驱动氮化镓。

由剑桥氮化镓器件公司(CGD)开发的ICeGaN技术是一种功率IC，它在与增强型HEMT晶体管相同的基板上实现了这种接口，而不是使用级联配置中的独立硅mosfet或共封装的硅IC。在芯片上实现该接口可实现优化、低外形、低电感的封装，这是减少损耗和提高功率转换器效率的关键。

ICeGaN器件包含一个辅助栅极HEMT，用于钳位外部栅极输入，并为主增强型HEMT提供稳定的内部栅极偏压。这意味着ICeGaN器件可由大约9V至20V的栅极偏压驱动，并且能安全耐受更高的瞬态电压。它还能有效地将表观阈值电压(VTH)提高到约3-4V，从而增强栅极的抗噪性。

ICeGaN器件中还集成了密勒钳位，可在HEMT未导通时提供强下拉，这意味着设计人员无需提供负栅极电压来确保器件在应关断时保持关断。密勒钳位还提供了更宽的安全工作区(SOA)，并通过吸收更高的dV/dt斜率来提高栅极的可靠性。这允许快速运行而无需额外的负电压轨，并且可通过导通栅极电阻值进行控制，这意味着设计人员可以根据应用特定需求以及电磁干扰(EMI)和开关损耗之间的平衡来控制ICeGaN的导通开关速度。

AI工作负载导致的动态GPU功耗会引起大幅、快速负载波动，这些波动无法反映到交流电网上。为防止这种情况，交流-直流转换链的每一级都必须处理瞬态负载条件，并包含足够的本地储能以平滑此类功率波动。

这意味着组件和热设计需要按峰值负载而非平均负载来确定尺寸，确保800V直流/直流转换器能够提供短期电涌，而不会过载或失控。

功率HEMT的内部栅极仅在外部栅极超过约1.5V后开始增加。正是这个额外的阈值使ICeGaN比传统的分立式增强型氮化镓(其阈值电压为2.9V)具有更高的阈值电压。

氮化镓HEMT器件的主要优势之一在于其开关性能，具有极低的栅极电荷且无体二极管，因此实际上不存在关断损耗。由于密勒钳位在0V时关断器件，ICeGaN器件不会像其他氮化镓组件那样容易遭受高反向导通损耗。

最重要的是，通过将器件连接到地，可以显著改善器件冷却，从而允许使用更小的组件并使系统在较低温度下运行。

封装

降低封装的热阻有多重好处。在相同的RDS(ON)下可获得更高的功率输出，而在相同功率下器件运行温度更低，因此可以使用更小、更轻的散热器，从而降低系统成本。较低的工作温度也带来更高的可靠性、更长的使用寿命，以及AI机架中更小的电源。

CGD开发的BHDFN-9-1(底部散热DFN)封装是一种底部冷却封装，具有可润湿侧翼，便于检查。它使用更厚的引线框架来带走热量，热阻为0.28 K/W，可媲美或超越其他器件。尺寸为10×10毫米的BHDFN封装比常用的TOLL封装更小，但占位相似，易于使用。

与分立式氮化镓器件不同，ICeGaN有一个额外的引脚(引脚1)为其内部电路供电，栅极端子为引脚2，开尔文源极(KS)端子为引脚3。在TOLL封装中，栅极端子为引脚1，而KS端子为引脚2。这意味着可以轻松开发出通用的布局以实现兼容性，只需将TOLL器件侧向移动以避免连接到ICeGaN布局上的电源端子。这为ICeGaN近乎直接替代TOLL器件提供了可能。

使用氮化镓器件设计800V功率转换系统

数据中心电源广泛采用的拓扑结构是输入串联输出并联(ISOP)配置中的堆叠半桥谐振转换器。这使得能够使用650V氮化镓器件转换800V直流输入。平面变压器和先进的磁集成是为紧邻GPU和CPU板放置的功率转换模块提供所需的薄型、紧凑功率级的关键。

用于AI服务器应用的参考设计已表明，800V配电网络已使用500-800 kHz范围的开关频率。随着氮化镓技术被更广泛地采用，只要能在这些更高频率下保持效率和EMI性能，业界正大力推动向1 MHz及更高频率发展，以进一步提高功率密度并减小磁性元件尺寸。

安全性

安全性是800V直流/直流架构的核心关注点，带来了额外的设计考量。

800V直流系统需要加强绝缘，其电气间隙和爬电距离要求高于低压总线架构。±400V直流系统采用对保护性接地的高电阻或固态中点接地，其所需爬电距离少于单端800V系统。

热插拔和电子保险丝(eFuse)功能通常与配电板上的800V直流级集成在一起，以便在尽可能靠近机架级馈电处控制浪涌、过载和故障隔离。

800V直流/直流转换器也常作为开环LLC级实现，控制器在次级侧，初级侧检测有限。这意味着需要额外的初级侧保护，如浪涌和异常状况检测，以安全处理输入故障。

万一发生故障，800V直流/直流设计必须严格限制故障能量，确保烟雾、火灾或烧伤损坏不会蔓延到GPU板或其他托盘组件，从而既保障系统运行时间，又维护硬件完整性。

实际案例

已构建了一个使用CGD P2器件(初级侧导通电阻为25毫欧)的3kW 400V转50V半桥模块原型，该原型基于平面变压器，用以演示使用ICeGaN HEMT可实现的高功率密度和效率。该模块峰值效率达到98.7%，满载时效率为97.5%。

其模块化架构允许通过简单的并联扩展达到更高功率水平，例如6kW或12kW，适用于高功率直流/直流电源应用。然后，可以利用交错模块间的相数控制，在宽负载范围内优化整个系统的效率。

为氮化镓HEMT添加智能接口

电源设计人员正越来越多地寻求在数据中心应用中使用氮化镓技术。然而，使用传统氮化镓器件进行设计时，实现最佳性能可能具有挑战性。例如，所需的负栅极电压使得实现更高频率运行(这对实现更小的功率转换器设计至关重要)变得困难。

然而，在与氮化镓功率器件相同的芯片上添加智能接口，为AI数据中心电源设计人员带来了多项好处，因为它极大地降低了800V数据中心电力网络中电源的成本、尺寸和重量。