宽禁带科技论|GaN功率器件与转换器架构在AI数据中心中的应用：效率、可靠性与部署路径

近日，北卡罗来纳大学夏洛特分校Donald Intal与Abasifreke Ebong在arXiv预印本平台发表综述论文“GaN Power Devices and Converter Architectures for AI Data Centers: Efficiency, Reliability, and Deployment Pathways”，系统分析了GaN功率器件在AI数据中心供电链各转换级中的应用价值。GaN的优势是依赖于转换级的，而非普适性的。 商用成熟的横向GaN HEMT在需要高频开关的高效PFC、隔离DC/DC和中间总线转换中表现突出，而垂直GaN仍是更高电压和更高功率转换中的新兴选项。

研究背景

功率密度和可靠性成为关键的基础设施级考量因素。硅功率器件经过数十年的技术优化，但向更高开关频率、更高体积功率密度和更小热裕量的方向发展时性能越来越受限。宽禁带半导体受到越来越多的关注，因其支持更高的电场和更快的开关速度，同时保持有竞争力的导通损耗和热稳定性。

图1 转换损耗、废热产生与冷却开销之间的相互作用概念示意

电力电子转换效率的提高直接减少电气损耗，同时降低的耗散功率减少了冷却系统需要移除的热负荷。这两种效应共同改善PUE并减少单位计算工作量的电力消耗。

图2 数据中心的典型电能转换链：从电网接口到处理器负载点

数据中心供电链通常包括AC/DC整流与功率因数校正（PFC）、高压总线调节、隔离式中间总线转换以及负载点（PoL）调节。每个转换级引入的损耗以废热形式出现，增加输入功率和冷却需求。

GaN功率器件架构与转换器级权衡

图3 GaN功率器件分类及其主要转换器级权衡：(A)横向GaN/AlGaN HEMT；(B)垂直GaN器件；(C)特种、级联与双向架构；(D)概念电压-频率定位

横向GaN HEMT利用AlGaN/GaN异质界面处极化诱导的二维电子气形成高迁移率导电沟道，实现低沟道电阻和快速开关。其低开关电荷和没有传统Si MOSFET体二极管的特性可显著降低开关和反向恢复相关损耗，在需要高频开关的PFC、谐振DC/DC、中间总线和负载点转换级中尤为有价值。

垂直GaN器件电流垂直于晶圆表面流过体漂移区，阻断能力由漂移层厚度和掺杂主导，为实现超过1 kV的阻断电压提供了潜在路径。垂直GaN仍不如商用横向GaN成熟，其采用受限于衬底成本和外延缺陷密度。双向GaN开关能够在两个方向上控制电流和阻断电压，适用于交流开关、矩阵变换器和储能接口。

GaN器件在数据中心供电链中的系统级映射

图4 代表性GaN器件类型在数据中心供电链上的映射

前端AC/DC PFC级处理几乎全部下游功率。图腾柱PFC拓扑中，横向GaN因避免了硅超结MOSFET的体二极管反向恢复而非常适用。隔离DC/DC级将高压总线转换为48V级配电轨，GaN支持数百千赫兹至兆赫兹级工作频率，从而减小变压器体积。48V中间总线和负载点转换级必须将48V配电总线转换为低于1 V的电源轨，同时供应数百安培电流，GaN可通过低开关电荷和低封装电感改善这些转换器。

图5 (a)增量能量流模型；(b)年运营CO₂减排量随级效率改善变化示例

对于一个0.3个百分点的PFC级效率改善（从99.0%到99.3%），在1 MW连续负载下可产生约3.15 kW的输入功率降低，计入冷却功率节省后约3.94 kW的设施级功率降低，对应年节能量约34.5 MWh，年CO₂减排约12.7吨。

制造、封装、可靠性与供应链约束

表1 单晶4英寸超薄β-Ga₂O₃薄膜的制备与性质分析

GaN-on-Si是目前通往高产量制造的最清晰路径，可借用大直径硅晶圆和成熟的半导体制造基础设施，但晶格和热失配需要工程化的缓冲层控制应力。GaN-on-SiC优先考虑热性能但继承SiC衬底成本限制。原生GaN衬底提供高质量基础但直径和成本受限。

封装决定GaN的开关能力能否在变换器中保留。低电感封装格式和共封装栅极驱动器可保持快速开关性能，但也增加认证复杂性。热路径必须与电气封装协同设计。

部署路径与设计指南

图6 利用液态金属转移单晶4英寸超薄β-Ga₂O₃的策略

近期优先采用横向GaN器件已商用的转换级，包括前端PFC和固定比中间总线转换器。中期部署中，限制因素逐渐从晶体管裸片转向封装寄生和EMI。长期部署涉及更高电压直流配电，可能增加垂直GaN器件的相关性。

图7 决定GaN固有器件能力能否产生可重复变换器级收益的耦合设计变量

图7以流程图形式说明，器件、封装、栅极驱动、布局、磁性元件、EMI控制、保护和热路径之间的多重依赖关系共同决定转换器性能。器件本身可能具有极低的开关电荷和导通电阻，但如果封装存在较大的共源电感，开关过程中的电压过冲和振铃会抵消器件优势。栅极驱动回路的电感若未得到良好控制，高dv/dt会导致米勒引起的假性导通和栅极振铃。必须将封装视为电气回路的一部分而非纯粹的机械外壳，转换器性能是这些环节共同作用的结果。

图8 GaN数据中心功率变换部署限制挑战的定性矩阵

图8以矩阵形式区分了各挑战的估计严重程度与可用缓解方案的成熟度，分为器件、封装、认证、基准测试和供应链约束五类。在器件层面，动态导通电阻和栅极稳定性挑战在所有转换级中均列为高严重度；在封装层面，热循环磨损在高功率密度转换级中尤为突出；在认证层面，任务剖面可靠性测试在所有级均缺乏成熟缓解方案。该矩阵应被解读为研究优先级的映射，而非定量的失效风险评估。

结论与展望

GaN的优势是依赖于转换级和系统集成度的，而非普适性的器件替代方案。 商用成熟的横向GaN HEMT在高频PFC、隔离DC/DC和中间总线转换中具有明确的系统级收益，垂直GaN在更高电压和更高功率转换中作为新兴选项存在。GaN的转换器收益来源于器件架构、拓扑、开关频率、封装、栅极驱动、磁性元件、布局、保护、EMI策略和热边界条件的协同优化。

更广泛部署的主要要求不再是孤立的峰值效率记录，而是在实际任务剖面、制造变异和长使用寿命下实现可重复的器件-封装-转换器性能。 迫切需要推进的工作包括：开关应力稳定性、动态导通电阻表征、栅极可靠性、垂直器件的高场强韧性、封装电热寿命、多源制造认证以及标准化转换器基准测试。通过协调的器件、封装、转换器和基础设施开发来应对这些挑战，将决定GaN能否成为高效、高密度、高可靠性AI数据中心供电系统的基石技术。

原文详情：

INTAL D, EBONG A. GaN Power Devices and Converter Architectures for AI Data Centers: Efficiency, Reliability, and Deployment Pathways[J/OL]. arXiv, 2026.

论文链接：
https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.25281.

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