PI 1250V/1700V GaN HEMT助力英伟达800VDC架构

本文转载自：PSD功率系统设计，3月11日。

原文作者：Kamal Varadarajan；Chris Lee，Power Integrations

Power Integrations公司的PowiGaN技术实现了1250V和1700V GaN开关器件，使设计人员能够构建高密度、高效率的电源。

基于GaN的功率半导体因其卓越的材料特性，成为高效功率变换器的理想选择。然而，很少有制造商提供额定电压超过650V的GaN HEMT器件。主要挑战在于，构建在硅衬底上的GaN器件需要非常厚的缓冲层，这带来了显著的工艺难度。

因此，传统上，需要1200V及以上更高电压的宽禁带器件的应用一直依赖SiC开关管。虽然SiC满足电压要求，但GaN有一个关键优势：高得多的开关频率。这使得在保持高效率的同时，能够实现下一代系统（如AI数据中心）所需的功率密度。

Power Integrations采用其专有PowiGaN技术制造的GaN HEMT能够独特地克服这些限制。它们在实用器件中实现了高达1700V的额定电压，成为1200V SiC及更高电压器件的有力替代方案。

使用1250V PowiGaN共源共栅开关，电源设计人员可以指定1000V的工作峰值VDS，同时允许行业标准的80%降额。对于高达1360V的应用，则可选用1700V的PowiGaN器件。

1250V/1700V

GaN HEMT共源共栅开关

1250V/1700V GaN HEMT是常通型耗尽型器件。为了实现安全系统设计所需的常闭型操作，每个GaN HEMT与一个低压硅MOSFET串联，形成共源共栅配置（见图1）。这种方法无需p型GaN栅极层，避免了阈值电压漂移和相关的不稳定性问题——确保了长期可靠性。

图1：高压PowiGaN共源共栅开关示意图

典型的1250V和1700V PowiGaN共源共栅开关的关态特性如图2所示，展示了远超过其额定电压的稳定漏电流行为。与相同额定值的硅或SiC器件相比，这提供了出色的瞬态过压能力和显著的安全裕量。

图2：1250V和1700V PowiGaN共源共栅开关的典型关态特性

确保现场可靠性

已对1250V PowiGaN GaN HEMT进行了广泛的可靠性评估——涵盖静态和动态条件：

1.高温反偏(HTRB)

这项关态应力测试评估了在高漏源偏压下的长期稳定性，并在强电场下长时间加速热激活的失效机制。根据JEDEC JEP198 HTRB规范对PowiGaN HEMT进行的测试显示了出色的器件漏电流稳定性。

此外，在加速VDS条件下对内在关态失效率进行了建模。结果预测，在1000V/100℃条件下运行超过1.5万年，累积失效率为1ppm，展示了巨大的可靠性裕量。

2.高压高湿高温反偏(HV-H3TRB)

对于高可靠性部署，受控的高湿度环境被用作额外的应力因素。HV-H3TRB测试检查钝化层、有源区、终端设计和底层结构中的失效模式。同样，当按照JEDEC标准JESD22-A101进行测试时，1250V PowiGaN开关保持了与HTRB测试期间观察到的相同的漏电流稳定性。

3.动态高温工作寿命(DHTOL)

高压开关期间的动态RDS(ON)稳定性对GaN器件至关重要。设计不佳的GaN HEMT在高压开关转换过程中，由于电子捕获效应，通常会表现出显著的RDS(ON)增加，从而降低效率并可能导致硬故障。

PowiGaN 1250V GaN共源共栅开关的RDS(ON)在1000V/125℃条件下经过1000小时的DHTOL应力监测，显示出与最先进的650V GaN HEMT相当的稳定性能。这表明PowiGaN HEMT可以扩展到远超过1200V，而不会影响性能——包括关键的硬开关能力——使其能够稳健地用于高可靠性应用。

英伟达800VDC AI数据中心架构

越来越明显的是，高压直流(HVDC)配电将取代AI数据中心中传统的54 V直流总线架构。由谷歌、Meta和微软发起、开放计算项目(OCP)提出的一项提案定义了一个800VDC电源系统。这种新架构改变了配电方式，将每个机架的功率从传统的100kW以下扩展到1MW。

行业领导者已经朝着这个方向迈进。例如，英伟达已经公开讨论和评估了用于下一代AI数据中心的800VDC架构。通过采用直接的800VDC输入，计算机架不再需要传统的集成式AC-DC PSU级。取而代之的是，机架接受双导体800VDC馈电，并在机架内部使用高压隔离式DC-DC转换器为xPU子系统供电。这种方法消除了机架级的AC-DC转换模块，简化了机架设计，同时提升了性能。

简化的拓扑结构、快速的开关速度和稳健的电压能力相结合，使得1250V和1700V PowiGaN技术非常适合这些新架构。

以下部分将比较1250V和1700V PowiGaN器件的价值主张——首先与堆叠式650V e-mode GaN解决方案比较，然后与1200V SiC MOSFET比较。

1250V PowiGaN

vs. 650V e-mode GaN

图3比较了使用650V e-mode GaN与使用1250V PowiGaN的800VDC输入转12.5V输出定比LLC拓扑。两种解决方案都利用快速开关GaN器件，在800VDC输入下以超过500 kHz的频率工作。然而，对于650V e-mode GaN，需要堆叠式LLC转换器来处理800VDC输入。

在初级侧，该架构使用两个串联的堆叠半桥，需要四个650V e-mode GaN开关管。在次级侧，输出并联，因此每个半桥支撑总输出功率的一半。这种堆叠拓扑引入了一些挑战：

1.输入电压不平衡：正常工作期间的输入电压不平衡必须小心管理。如果半桥之间发生不平衡，GaN器件上的应力电压可能超过预期的~400V。这会由于HEMT的2DEG沟道内的电流捕获效应，导致更明显的动态RDS(ON)退化。

2.复杂的驱动设计：每个半桥需要一个专用的高侧驱动器和隔离偏置电源，增加了成本、空间和设计复杂性。

3.效率更低且成本更高：使用相同RDS(ON)的器件，与使用1250V PowiGaN的单个半桥相比，堆叠拓扑的传导损耗更高。事实上，PowiGaN可以使用RDS(ON)高出2倍但成本更低的HEMT，同时仍能达到相同的效率水平。

图3：(a) 基于650V e-mode GaN的堆叠半桥LLC

(b) 基于1250V PowiGaN的单半桥LLC

在半桥LLC应用中，650V e-mode GaN与1250V PowiGaN的差异总结于表1。

表1：650V e-mode GaN与1250V PowiGaN IC在半桥LLC中的比较

用于1MHz LLC操作的1250V PowiGaN vs. 1200V SiC MOSFET

为了实现高功率密度，LLC转换器的高频工作至关重要。最大工作频率取决于几个关键参数：

QOSS（输出电荷）

Qg（总栅极电荷）

TD(OFF)（关断延迟时间）

这些参数的值越低，越能直接提高LLC设计的效率和功率密度。

表2比较了1250V PowiGaN与1200V SiC MOSFET。结论很明确：与具有相似RDS(ON)的1200V SiC MOSFET器件相比，1250V PowiGaN使得LLC转换器能够实现显著更高的工作频率。

表2：1200V SiC MOS与1250V PowiGaN的参数比较

用于HVDC AI数据中心的

1700V PowiGaN

2024年，Power Integrations推出了业界首款基于1700V PowiGaN的产品，旨在支持1000VDC标称输入电压，同时满足HVDC AI数据中心架构的辅助电源要求。

InnoMux2-EP产品系列中的IMX2353F器件（25℃时520mΩ）（图4）将初级侧和次级侧控制器、保护和感测元件以及符合安全要求的反馈机制(FluxLink)集成到单个IC中，该IC采用1700V PowiGaN开关管。通过独立调节和保护多达三个输出，它消除了多个后级转换级。

IMX2353F器件专门在DCM SR-ZVS模式下运行，具有初级开关管的零电压开关(ZVS)特性。这显著降低了导通期间的寄生电容放电损耗，改善了热性能——这对于800VDC至1000VDC输入范围来说是一个关键优势。

图4：IMX2353F的典型应用

借助1700V PowiGaN和SR-ZVS控制，在1000V输入和满功率下，温升限制在仅22.3℃，为HVDC AI数据中心实现了紧凑、低温运行的辅助电源。该器件特别适用于800VDC PSU中日益流行的48 V风扇实现方案，这些方案同时也需要12V系统输出。