高效能、低碳排趨勢底定 電源管理邁向高功率密度與AI世代
- 鄭茨云／DIGITIMES企劃
-
碳稅法規日益明確、能源效率成為全球共識，電源管理技術邁入關鍵轉型期。為協助業界掌握系統設計趨勢，DIGITIMES特於日前舉辦「高效能、低碳排–新世代電源管理 D Forum 2025電源論壇」，邀集半導體、電源模組、系統整合與量測領域專家，深入剖析技術脈動與產業挑戰。
AI運算與新能源技術驅動高功率密度電能轉換技術成為關鍵領域，國立臺灣科技大學電子工程系邱煌仁教授指出，目前電源技術核心發展包括材料從矽轉向氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等寬能隙半導體，以提升效率與耐壓，應用涵蓋伺服器、光伏變流器、雙向轉換模組與智慧變壓器，並強調高頻、高密度、雙向模組化、液冷與數位控制。
AI資料中心用電預估2030年成長3倍，傳統AC-DC架構效率低，48V中壓匯流排成為新趨勢，具高效率與低損耗特性，RSCC架構可達98~99%效率，功率密度超過2000W/in³。氮化鎵PoL模組支援AI晶片供電，具5MHz高頻與1000W/in³高密度。
固態變壓器(SST)透過三段式架構提升電能品質，實驗證實可將電壓不平衡降至0.06%、諧波與功因明顯改善，已應用於Shell離岸風電製氫與Amazon EV快充。車用領域亦導入GaN、SiC雙向DC-DC與全氮化鎵架構，展現跨域應用潛力。
快充需求攀升，高整合氮化鎵解決方案成為電源設計趨勢。德州儀器應用工程師Eddie Chen表示，該公司推出首款整合GaN的Flyback轉換器UCG2882x系列，專為USB-PD應用打造，涵蓋45W、65W與120W（含PFC）等型號，採自供電與無輔助繞組設計，內建700V GaN FET與多項功能模組，簡化系統架構並降低元件數與成本。
具QR/CCM/DCM動態切換模式與多重保護機制，65W版本峰值效率逾94%，待機功耗低於10mW（115VAC）與30mW（230VAC），符合DoE與CoC能效標準，並透過切換斜率、Valley Switching、頻率展頻等技術優化EMI表現。
應用涵蓋手機與筆電快充、USB-C插座、壁插與多埠PD充電器等，設計參考包含高密度65W模組UCG28826EVM-093與雙埠快充PMP範例設計，UCG28828則支援120W功率與PFC架構。產品採5×5 QFN封裝，提供完整EVM模組與設計工具支援，協助縮短開發時程，展現高效能、低成本與高功率密度的綜合價值。
2025年AI推論能耗將首度超越訓練階段，成為能耗變革轉折點。英飛凌消費、計算與通訊業務行銷協理張文貴指出，英飛凌以「We Power AI from Grid to Core」策略全面支援AI供電，涵蓋電網、機架至處理器核心。隨著AI推論運算量劇增，電力需求大幅上升，能源效率與功率密度成關鍵。
新一代機架Kyber RAC提升4倍功率密度，推動800V供電成新標準，需導入BPU與SuperCAP確保穩定供電。英飛凌AI電源方案整合微控制器、多相控制器、Si/CoolMOS/IGBT/SiC/GaN等開關元件、驅動器與感測器，全面對應AI供電架構。材料方面，SiC適用高壓三相AC-DC電源，GaN則強化中低壓DC-DC轉換效率與密度。
800V直流系統可顯著減少損耗，電流密度近年由0.6提升至2 A/mm²，預期2027年達3–4 A/mm²，整體供電效率預期將突破97%。英飛凌以高能源效率、材料技術優勢與高可靠性支援AI伺服器，並與NVIDIA等夥伴共推800V HPDC與綠色供應鏈，實踐數位與減碳雙軸轉型。
AI時代對電源測試精準度與效率要求大幅提升，示波器已成為電源完整性驗證核心工具。台灣是德科技技術工程師張啟文表示，在電源完整性驗證中，示波器扮演關鍵角色，是德科技測試解決方案與資源涵蓋主要量測設備與工具，InfiniiVision DSOX系列為中階混合訊號示波器，Infiniium EXR/MXR/UXR系列為高階數位訊號分析儀支援深記憶體2Gpts與先進雜訊分析，實用測試與模擬資源包含Setup Wizard快速導引電源測試設定、WaveGen加Probe架構支援PSRR與頻率響應量測等，使用示波器進行電源完整性測試的核心原因在於功率電子元件與電源架構複雜化，需動態觀察瞬態行為與雜訊源，傳統電表或電源分析儀無法提供完整頻譜與高頻變化解析能力，示波器配合專用探頭與軟體成為設計與除錯的核心工具，有效解決現代電源電子系統測試與驗證的技術挑戰。
AI伺服器與高功率密度應用激增，GaN已成為650V以下電源轉換的主流選擇。羅姆半導體台灣技術中心技術顧問王向洋表示，GaN具體積小、效率高、切換快等優勢，優於SiC於中低壓領域的應用表現。
ROHM推出的EcoGaN技術，主打高頻、高效率、零反向恢復損耗、低雜訊與簡化設計流程，並透過驅動控制整合，加速客戶產品開案時程。產品線依整合程度分為Discrete、SiP、Smart Discrete與All-in-One四大類，搭配DFN、TOLL、VQFN等多種封裝，對應消費性電子、工業自動化、AI伺服器與車用市場需求。
開發合作涵蓋台達、TSMC、Mazda、DENSO等指標企業，並已成功導入AI伺服器電源。Totem Pole PFC拓樸下，GaN具零反向恢復損失特性，較傳統MOSFET降低90%導通損耗，大幅提升整體效率與功率密度。應用案例如Innergie 45W充電器、240W PFC模組與LiDAR參考設計，展現ROHM在第三類半導體GaN領域的完整技術布局與產業落地成果。
高整合度電源IC成為中低功率應用主流。Power Integrations FAE董育豪表示，該公司於2025年發表的TinySwitch-5系列，支援10~70W與最高190W輸出，滿載效率達92%、輕載超過85%、待機功耗小於30mW，符合ErP標準。
該系列內建MOSFET、驅動器、控制器與無損電流感測，採源極散熱與直接溫度監測技術，具可變關斷時間與電流限制控制，動態調整開關頻率，兼顧效率與靜音表現。保護機制完整，具輸入過壓、輸出短路與開迴路錯誤偵測等，啟動階段支援軟啟動與自動重啟。
實測案例如DER-1027與TNY5071K應用顯示，在230V AC環境下效率超越前代產品，瞬時負載響應穩定、輸出電壓變動僅±0.1V，頻率最高達150kHz，有效縮小變壓器體積，提升整體系統效率。適用於充電器、白色家電、照明、伺服器模組等，可與InnoSwitch、LinkSwitch搭配構成完整AC-DC方案，展現成本與效能兼具的優勢。
AI與能源挑戰推動架構革新 電源設計迎接新世代考驗
資料中心電源架構正迎來劇烈變革，台達電腦及網通事業部總經理彭德智指出，AI加速器晶片功耗快速上升，單一伺服器機架供電需求已達數百瓩等級，從傳統130kW擴展至500kW甚至更高，挑戰包括UPS誤觸發、公用電不穩與備援延遲等問題。台達提出PCS電容架解決方案，可削峰填谷、穩定供電品質、提升PSU壽命與效率。
進一步推動800V DC高壓直流架構，減少母線損耗，配合Side Power Rack與68A Crosslink Cable實現單根54kW高功率輸送。SST+HVDC創新架構則結合固態變壓器與分散式DC-DC模組，支援800V至0.65V多級轉換，搭配液冷與高密度模組化設計。
最終實現Grid-to-Chip全直流供電鏈，從33kV AC一路轉換至XPU/PCIe所需的0.xV DC，全面整合PCS、SST、HVDC、PDB與DC-DC Brick等關鍵元件。台達作為全球少數具備從電網到晶片完整電源整合能力的供應商，展現其在AI伺服器世代轉換中的技術引領與策略優勢。
化合物半導體成為高功率電子產業關鍵技術。鴻海研究院半導體研究所組長蕭逸楷提到，該院整合半導體、AI、資安、通訊與資訊系統五大中心，聚焦EV與AI資料中心的電源技術。功率元件的GaN適用快充與伺服器，SiC則適合高壓逆變器與再生能源應用。
市場預估至2030年，Power SiC維持雙位數成長，Power GaN則聚焦快充與資料中心。EV主流邁向800V架構，支援5分鐘補充200–400km續航，MW級充電已實證。AI資料中心則需支援HVDC至0.6V多級轉換，滿足高密度與高熱容忍特性需求。
鴻海研究院自主研發1.7kV SiC MOSFET，與學研合作進行TCAD設計，並結合AI訓練模型預測Break-down Voltage與優化製程，開發出1700V Trench與3300V Planar MOSFET，形成從模擬、AI訓練到實測驗證的完整開發流程，藉此加速GaN/SiC落地，布局EV、AI、航太與醫療應用。
寬能隙半導體技術（WBG）快速導入車用與高功率應用，2025年相關可靠度驗證規範大幅更新。德凱宜特資深經理陳冠瑋指出，AQG 324新版於2025年4月納入SiC四項動態測試：HTFB、DRB、DGS與Dyn H3TRB，並將測試基準從環境溫度改為Tvj虛擬結溫，全面定義參數與程序；AEC-Q101也將於第3季公布SiC專屬附錄，GaN標準預計第2季啟動。新規範強調極端溫高壓條件下的可靠度與裸晶測試，取消HAST改採H3TRB以降低電弧風險。
動態可靠度測試原應用於邏輯IC，如今因功率元件高速切換所帶來的新故障模式，成為WBG元件驗證關鍵。過往車廠使用非車規晶片曾引發電動車異常與自燃，強化車用WBG元件測試與認證成為供應鏈重中之重。
DEKRA iST已取得AQG 324與AEC-Q101雙認證，具備Power Tester 2400A、HTGB、H3TRB等完整設備與測試經驗，並積極參與國際標準制定，協助客戶強化元件驗證與量產可靠性。
雲端基礎設施面臨高功率密度、低總體成本與高穩定性挑戰。ADI主任應用工程師錢一丰提到，ADI致力於提供永續、可擴展、具軟體彈性的電源解決方案，以支援AI與雲端高速資料處理需求。核心模組涵蓋多相控制器、功率級、Hot Swap、PoL電源與監控器，應用涵蓋資料中心、液冷、光模組、BBU、UPS、BMS與建築能源管理等。
架構正從傳統多段48V轉換，轉向高壓直流（HVDC）進機架設計，減少轉換次數、提升效率與散熱並支援液冷與AI伺服器。ADI以高功率密度、嚴謹可靠性、多元供應彈性、模組化擴充與低損耗綠色設計，打造完整電源模組組合，支援AI、ML、網通與儲存領域需求。
未來雲端架構正邁向高壓直流與高密度供電，ADI橫跨控制、感測與監控的系統實力，成為高效率與永續AI運算的關鍵技術夥伴。
電源系統正邁向高整合、智慧化與功能安全。NXP資深產品行銷經理陳筠儀表示，該公司致力提供從插頭到處理器的完整能源管理解決方案，支援5V至800V電壓範圍，實現簡化、安全與永續的系統設計。應用領域橫跨工廠自動化、智慧家庭、醫療穿戴與車用電子，對應代表產品包含PF81、PF71、FS23/24、PF09等，並導入高溫、高效率、超低功耗與SIL-2安全設計。
技術亮點如FLEXGAUGE軟體電量監測，無需額外BOM成本與硬體修改，具備低功耗與高精度，適用於IoT與穿戴設備；TEA2017共振式AC/DC解決方案與TEA2376 PFC控制器提供高功率密度與散熱優化，應用於TV、Server與工業設備。
USB-C保護方案則提供OVP、OCP、濕氣偵測與多通道支援，強化介面安全。NXP憑藉高整合軟硬體平台與Vcap專利控制技術，協助客戶降低開發成本、提升效率與安全性，成為工業、車用與健康應用電源管理的關鍵夥伴。
資料中心正面臨功耗與散熱雙重挑戰，推動供電與冷卻架構重塑。DIGITIMES分析師邱欣蕙指出，至2035年資料中心用電將成長270%，驅動從集中式UPS轉向模組化供電與液冷設計。BBU崛起成為UPS替代方案，預估2026年BBU滲透率達30%。
高密度機櫃空間受限也促使供電架構由In-Rack轉向Off-Rack，採Power Sidecar側邊機櫃整合PSU、PDU、BBU與超級電容，支援54V至±400VDC高壓集中供電。
台廠在電源晶片、BMS、PSU、液冷與系統整合等環節全面布局，包含台達、光寶、順達、緯穎、廣達、鴻海等積極導入OCP ORv3與液冷牆設計，台達更推出800V、92%效率Grid-to-Chip架構。AI時代的資料中心重塑趨勢已定，模組化電源、液冷與BBU成三大支柱，台灣供應鏈正穩步進入國際CSP核心生態。
