AI伺服器供電進入高功率時代 英飛凌以GaN與BDS回應800V HVDC設計

AI伺服器的CPU與GPU功率持續提高，電源系統同時面臨轉換效率、功率密度、散熱與機構空間等限制。英飛凌以「We Power AI from Grid to Core」為布局主軸，涵蓋高壓直流供電（HVDC）趨勢下從電網端、AC-DC電源供應器（PSU)、電池備援模組（BBU)、中間匯流排轉換器（IBC），以及接近運算晶片的48V後級電源。

英飛凌消費、計算與通訊業務協理張文貴指出，各環節的電壓、功率及切換頻率不同，功率元件也需依實際條件配置；SiC適合高電壓、高功率應用，GaN則能在高頻切換、轉換效率及有限空間中發揮優勢。

以現階段技術而言，40V以下應用中，矽MOSFET與GaN的效能差距仍有限；當電壓來到60V至200V，GaN在導通電阻及閘極電荷等指標上已有較明顯優勢。因此，在接近CPU、GPU的48V轉12V或6V電源轉換環節，GaN可協助降低傳導與切換損耗，也讓電源業者有更多拓樸設計空間。48V後級電源處理的是接近運算晶片的降壓需求；面對機櫃功率大幅提高，前段如何以800V HVDC有效送電，也成為英飛凌布局的重點之一。

因應800V HVDC 三種形態對應不同系統設計

800V HVDC成為AI資料中心的重要發展方向，但實際進入伺服器機櫃時，仍有不同的電源架構選擇。張文貴指出，英飛凌目前將相關應用分為電源模組、配電板及HVDC電源供應器三種形態，分別對應不同的功率密度、機構空間與系統整合需求。

第一種是採用四分之一磚（quarter-brick）、半磚（half-brick）與全磚（full-brick）等標準尺寸的電源模組。張文貴以四分之一磚約3kW、半磚6kW及全磚12kW為例，介紹不同模組尺寸所對應的功率等級。他提到這類模組空間有限，切換頻率可能拉高至800kHz甚至1MHz以上。GaN具備高頻切換與低損耗特性，有助縮小磁性元件及電源模組尺寸，適合用於這類講求功率密度的設計。

第二種是配電板（Power Distribution Board；PDB），空間限制雖較電源模組寬鬆，仍須兼顧轉換效率、功率密度與散熱。英飛凌將電源模組與PDB歸入中間匯流排轉換器（IBC）的應用範圍，也是現階段GaN較明確的應用位置。

第三種HVDC電源供應器的外形接近既有AC-DC電源供應器，輸入端則改為800V直流電。由於體積較大，功率密度要求相對低於模組，也較容易沿用既有PSU的設計、製造與維修經驗。張文貴表示，市場過去多認為高密度AI伺服器必須採用IBC，如今系統業者提出的實作方式更加多元，HVDC電源供應器的導入進度甚至可能快於電源模組與PDB。

在電源模組與PDB等高頻、高密度應用中，GaN已有明確的效能優勢，但架構適用不代表客戶能立即導入。PCB改版、驅動電路、散熱配置及驗證時程，仍是電源業者評估新元件時的實際負擔。

為降低轉換門檻，英飛凌推出3×3及5×6封裝的中壓GaN產品，腳位配置與既有矽MOSFET相容，並同步提供對應的驅動晶片。客戶可沿用原有板型及封裝架構評估GaN，縮小電路修改範圍，並在相同封裝尺寸下，取得較低的導通電阻與閘極電荷，減少傳導及切換損耗。

英飛凌也將GaN的應用由一次側延伸至二次側同步整流。在800V降壓至12V或6V的架構中，高低壓電路之間必須符合強化隔離要求，因此一次側與二次側均會影響整體轉換效率。透過Pin-to-Pin相容封裝及驅動方案，客戶可依產品開發進度，分階段評估二次側改用GaN的效益。此外，張文貴也釐清，48V轉12V或6V多採非隔離架構，沒有一次側與二次側之分；上述設計主要用於800V高壓轉換情境。

英飛凌BDS整合雙向開關功能  減少元件與導通損耗

除了透過Pin-to-Pin設計處理GaN導入既有電路時的改版問題，英飛凌也利用GaN的橫向結構，簡化傳統雙向開關所需的元件配置。一般MOSFET具有本體二極體，單一元件關斷後仍可能出現反向電流。若系統需要雙向導通及雙向阻斷，通常必須將兩顆MOSFET以背靠背方式串聯，不但增加元件數量與板面空間，串聯後的導通電阻也會提高，帶來額外電力損耗。

張文貴說明，傳統矽MOSFET多採垂直結構，GaN則具備橫向結構。英飛凌利用此項特性，在元件兩端分別設置閘極，透過兩組閘極控制兩端的導通與關斷，使單一雙向開關（Bi-Directional Switch；BDS）即可執行雙向導通與阻斷功能。相較兩顆MOSFET背靠背串聯，BDS可減少開關元件數量，降低導通電阻、功耗與電路板空間，也有助簡化系統設計及物料配置。

BDS最早的應用之一是電池管理系統。智慧型手機需要控制電池的充電與放電，過去多以兩顆MOSFET組成雙向開關，英飛凌的低壓BDS則可用單一元件完成相同功能。這項應用顯示，GaN已由外部充電器進入終端裝置內部，也為BDS延伸至高功率電源累積實際應用經驗。

BDS切入高功率電源的機會，來自AI伺服器功率規格提高後的供電架構變化。張文貴表示，GB200、GB300世代的AI伺服器電源規格約為5.5kW及12kW，下一代Vera Rubin則可能達到18.5kW。功率提高後，電源輸入將由單相改採三相，PFC拓樸也將由圖騰柱式轉向三相維也納架構。

維也納PFC設有三組雙向開關位置，傳統設計需要六顆背靠背串聯的MOSFET。英飛凌BDS可望以三顆雙向開關完成相同功能，減少元件數量、導通損耗及電路空間，成為GaN切入AI伺服器高功率電源的另一條路徑。

當IT機櫃功率提高至660kW甚至1.2MW，供電模組也可能移出運算機櫃，整合至獨立的側掛式供電機櫃（Power Sidecar），三相維也納PFC便位於其中的電源供應器。這類超高功率應用目前仍以SiC元件較為成熟，英飛凌希望藉由BDS的雙向開關功能，為GaN開闢新的應用位置。

張文貴表示，面對800V HVDC多種架構並行，以及成本、可靠度與量產驗證等要求，英飛凌已布局不同電壓與功率等級的GaN元件，並提供相容封裝、驅動晶片與BDS雙向開關方案，可協助客戶依系統架構選擇合適元件，縮小改版範圍，加快高功率電源的開發與驗證進度。