1250V/1700V PowiGaN HEMT在800VDC AI数据中心架构中的应用

GaN功率半导体器件因其优异的材料特性而非常适合高效率功率变换器。GaN HEMT (氮化镓高电子迁移率晶体管)已被广泛应用于众多商用电源设计中，覆盖各类应用场景。该技术凭借其低损耗、快速开关特性，在电源领域展现出显著优势。
市面上大部分制造商提供的商用器件通常具有低于200V的额定耐压，或其额定耐压介于600V至650V之间。在650V以上电压领域，仅有少数制造商推出了900V额定耐压的GaN HEMT。基于硅衬底的商用GaN HEMT技术难以实现900V以上的电压扩展，因为这需要极厚的缓冲层，从而带来显著的工艺挑战。
因此，需要额定耐压1200V及以上宽禁带功率器件的应用一直受限于使用SiC开关器件。然而，与SiC相比，GaN能够实现更高的开关频率,在保持高效率的同时,为满足AI数据中心等应用日益增长的功率密度需求提供了可行路径。Power Integrations采用其专有PowiGaN™技术制造的GaN HEMT具有独特的优势，可在实际器件中实现极高额定耐压(高达1700V，使其成为替代1200VSiC器件及更高电压器件的现成且极具吸引力的选择。
为在800VDC母线应用中充分发挥GaN的优势，通常会采用两个650VGaN器件进行串联堆叠的半桥结构，共计使用四个650VGaN器件。虽然这种堆叠拓扑结构可以在GaN所能达到的高频下工作，但它带来了若干挑战，包括控制复杂性增加、输入电压不平衡导致的可靠性风险、占用空间增大以及导通损耗增加，从而导致效率降低和成本上升。相比之下，在此应用中采用1250V额定耐压的PowiGaN开关，不仅能显著简化功率变换器拓扑结构，更能充分利用GaN的特性一正是这些使其成为理想的高频功率开关。
利用1250V的PowiGaN共源共栅开关，电源设计人员可以非常放心地明确其设计可以工作于1000V的峰值Vs，同时满足80%的行业降额标准。对于工作峰值V.s超过1000V且高达1360V的应用场景，采用1700V PowiGaN共源共栅开关可让用户设计出同样高效的电源方案，但此时却是在更高的电压下工作。本文阐述了业界首款额定耐压超过1200V的GaN功率开关的可靠性与耐用性，并证明其完全满足NVIDIA 80OVDCAI数据中心架构对功率密度和超过98%效率的要求。