全球各類行業(yè)會議正聚焦電源設計面臨的功率密度挑戰(zhàn)。從得克薩斯州奧斯汀舉辦的APEC 展會、本周在舉辦的英飛凌 AI 日，到前不久在圣何塞舉辦的GTC 大會，半導體廠商紛紛推出新方案，縮小電源系統(tǒng)體積、提升通流能力。

一、Power Integrations：GaN 賦能反激電源，功率上探 450W

Power Integrations（PI）采用更高效的氮化鎵（GaN） 技術(shù)，升級其核心產(chǎn)品線TOPSwitch。這款經(jīng)典單端反激轉(zhuǎn)換器全球應用廣泛，最新 GaN 版本將功率上限從250W 提升至 450W，可用于電動工具、電動自行車等高功率電池充電器。

PI 技術(shù)推廣總監(jiān)安迪?史密斯表示：“TOPSwitch 誕生于 1994 年，是 PI 的立身之本。我們的目標是打造高效、高性價比的電源轉(zhuǎn)換器。全球每棟建筑里基本都有兩顆 TOPSwitch 芯片?！?/p>

該器件采用反激拓撲與恒壓控制，使用725V MOSFET，可將 60V–308V 交流電轉(zhuǎn)為 1.8V–150V 直流電。傳統(tǒng)單端反激上限約 250W，超過后I2R 損耗難以接受，通常改用半橋或諧振轉(zhuǎn)換器。

“我們用 GaN 晶體管替換 MOSFET，讓 230V 應用下反激方案可做到450W，進入此前禁區(qū)?！?/p>

TOPSwitch GaN（TSG）沿用 TinySwitch 的控制器與布局，20W–450W 功率范圍無需改板。這對電池容量與充電速率快速提升的電動工具充電器尤為關(guān)鍵 —— 此前多用 LLC 諧振方案，而 TSG 成本更優(yōu)。

“我們預計這款產(chǎn)品出貨量將達數(shù)億顆級別。”

為保障供應，PI 在藍寶石晶圓上自研外延與反應器工藝：“藍寶石供應幾乎無限，LED 行業(yè)已充分驗證。我們在美國、中國、亞洲其他地區(qū)均有晶圓廠伙伴，實現(xiàn)地域多元化?！?/p>

史密斯強調(diào)：“我們用 GaN 把反激帶入新領(lǐng)域。關(guān)鍵不在新材料，而讓設計師能用單端反激，替代雙端或諧振架構(gòu)。”

TSG 比原版 TinySwitch 更復雜，采用三顆獨立裸片：低壓共源極 FET、GaN 管與控制器，而非單片集成。

“我們用新型控制算法調(diào)控開關(guān)關(guān)斷時間，全負載效率平坦，輕載下僅降約 10%。芯片自偏置，無需外部自舉電路，開關(guān)頻率約150kHz，滿足全球 EMI 標準。效率與現(xiàn)有 TinySwitch 相當，約91%–92%，但用更簡單的反激實現(xiàn)更高功率密度?！?/p>

二、德州儀器：IsoShield 集成隔離驅(qū)動，尺寸縮減 70%

功率密度同樣是數(shù)據(jù)中心核心難題。

TI 高壓產(chǎn)品總經(jīng)理坎南?桑達拉潘迪安表示：“最大供電問題就是功率密度 —— 所有領(lǐng)域都要在更小空間塞下更多功率，最佳路徑就是集成?！?/p>

TI 將平面變壓器集成進封裝流程，使隔離柵極驅(qū)動體積與高度縮減高達 70%。IsoShield技術(shù)已用于1.5W DC-DC 轉(zhuǎn)換器，為 800V 電網(wǎng)高壓晶體管供電。他稱這是數(shù)據(jù)中心供應鏈的根本性變革。

“電源變壓器是 1880 年代的技術(shù)，需要大量銅與疊層銅，如今交期長達 2.5 年，很多環(huán)節(jié)瀕臨崩潰。邁向 800V 是數(shù)據(jù)中心與電網(wǎng)的關(guān)鍵一步，從銅鋼供應鏈轉(zhuǎn)向硅供應鏈，800V 只是起點?！?/p>

IsoShield 在系統(tǒng)級封裝（SIP）中通過內(nèi)置空心平面變壓器形成中間隔離屏障，幾乎適用于所有需要高壓側(cè)開關(guān)的場景，汽車是典型市場。器件越小越輕，優(yōu)勢越明顯，抗振動與板級可靠性也更強。

TI 產(chǎn)品線經(jīng)理大衛(wèi)?斯努克說：“我們擁有全集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，支持從基礎(chǔ)到增強型全等級隔離。IsoShield 的獨特之處在于基于我們現(xiàn)有封裝技術(shù)演進，成為封裝流程的一部分，因此相比上一代體積再縮40%?！?/p>

桑達拉潘迪安認為，高壓晶體管驅(qū)動對數(shù)據(jù)中心愈發(fā)重要：

“現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的硅與電子元件密度前所未有。數(shù)據(jù)中心將取代汽車成為可靠性標桿。這些模塊把電路從 30 顆器件減到不到 10 顆，直接影響 ** 平均無故障時間（MTBF）** 與電源壽命。”

他評價 NVIDIA GTC 大會：“展示的偏置電源支持極為可靠的設計，完整 800V 電源架構(gòu)從電網(wǎng)直連柵極，含熱插拔控制器與800V 轉(zhuǎn) 6V、20kW 總線轉(zhuǎn)換器，功率密度超2kW / 立方英寸，堪稱史無前例。電源鏈末端還有6V 轉(zhuǎn) 1V 以下多相降壓轉(zhuǎn)換器。未來數(shù)據(jù)中心的供電需求都能滿足?！?/p>

三、英飛凌：TLVR 四相模塊，電流密度超 2A/mm2

本周在臺灣 AI 日，英飛凌展示面向高端 AI 數(shù)據(jù)中心的高電流密度四相電源模塊 TDM24745T。該模塊集成 OptiMOS MOSFET、TLVR（跨電感電壓調(diào)節(jié)器）電感與去耦電容，封裝尺寸9×10×5mm。

這是首款采用 TLVR 電感的模塊，輸出電容需求最多降低50%，助力系統(tǒng)設計師實現(xiàn)更高效、省空間的布局。

電流密度超2A/mm2，為高端 GPU 與 AI 處理器所需大電流內(nèi)核軌路提供最高320A電流，支持芯片橫向 / 縱向供電，節(jié)省寶貴 PCB 面積。

英飛凌電源 IC 與連接事業(yè)部高級副總裁兼總經(jīng)理阿薩爾?扎伊迪表示：

“AI 負載以前所未有的速度擴張，對高效、極致緊湊供電的需求空前迫切。TDM24745T 重新定義大電流穩(wěn)壓的可能。我們將業(yè)界領(lǐng)先電流密度與 TLVR 技術(shù)融入極小尺寸，幫助客戶釋放更多算力、降低能耗，加速下一代 AI 數(shù)據(jù)中心部署?！?/p>

四、瑞薩電子：650V 雙向 GaN 開關(guān)，單級轉(zhuǎn)換簡化拓撲

瑞薩電子開發(fā)出帶直流阻斷功能的雙向 GaN 技術(shù)，可大幅減少 AI 數(shù)據(jù)中心等應用功率轉(zhuǎn)換拓撲的開關(guān)數(shù)量Renesas。

這是首款采用耗盡型（d-mode）GaN的雙向開關(guān)，單器件可阻斷正負電流并集成直流阻斷。此前瑞薩收購 Transphorm，將 d-mode GaN 技術(shù)融入電源產(chǎn)品線Renesas。

目標應用：單級太陽能微型逆變器、AI 數(shù)據(jù)中心、電動汽車車載充電器。TP65B110HRU大幅簡化電源轉(zhuǎn)換器設計，以單顆低損耗、快開關(guān)、易驅(qū)動器件替代傳統(tǒng)背靠背 FET 開關(guān)組合Renesas。

單器件雙向能力避免多級多開關(guān)橋電路設計。例如傳統(tǒng)太陽能微型逆變器首段用四開關(guān)全橋做 DC-DC，再經(jīng)第二段生成并網(wǎng)交流電。即便邁向高效單級轉(zhuǎn)換器，工程師仍需克服固有開關(guān)局限。如今很多單級設計用傳統(tǒng)單向開關(guān)背靠背，導致開關(guān)數(shù)量增至四倍、效率下降。

雙向 GaN 改變設計選擇，英飛凌、納微、安世等均已開發(fā)增強型 GaN 雙向器件。英飛凌將雙向 GaN 列為未來關(guān)鍵趨勢之一。

單顆 GaN 集成雙向阻斷功能，可用更少開關(guān)實現(xiàn)單級功率轉(zhuǎn)換。例如典型太陽能微型逆變器僅需兩顆瑞薩高壓 SuperGaN 雙向器件，省去中間直流母線電容，開關(guān)數(shù)量減半。此外 GaN 開關(guān)速度快、存儲電荷低，支持更高開關(guān)頻率與功率密度。實際單級微型逆變器中，新 GaN 架構(gòu)效率超97.5%，取消背靠背連接與慢速硅開關(guān)。

這款650V SuperGaN基于專有常關(guān)技術(shù)，驅(qū)動簡單、可靠性高。TP65B110HRU 將高壓雙向 d-mode GaN 芯片與兩顆低壓硅 MOSFET 共封裝，具備3V 高閾值、±20V 柵極裕量與內(nèi)置體二極管，實現(xiàn)高效反向?qū)ā?/p>

這種共源極結(jié)構(gòu)解決 d-mode 器件常通問題，同時讓雙向 GaN 開關(guān)兼容標準柵極驅(qū)動，無需負柵壓。帶來更簡單、低成本柵極環(huán)路設計，在軟 / 硬開關(guān)中均實現(xiàn)快速穩(wěn)定切換，無性能損失。

這也讓需要硬開關(guān)的功率拓撲（如維也納整流器）受益于 **>100V/ns高 dv/dt 能力，振鈴最小、通斷延遲短，25℃下典型導通電阻110mΩ**。

瑞薩 GaN 事業(yè)部副總裁羅漢?薩姆西表示：“將 SuperGaN 技術(shù)擴展到雙向 GaN 平臺，標志功率轉(zhuǎn)換設計規(guī)范的重大轉(zhuǎn)變?？蛻裟苡酶匍_關(guān)器件、更小 PCB 面積、更低系統(tǒng)成本實現(xiàn)更高效率，同時借助瑞薩柵極驅(qū)動、控制器與電源管理 IC 的系統(tǒng)級集成加速設計?！?/p>

配套評估板支持不同驅(qū)動方案測試、交流過零檢測與零電壓開關(guān)（ZVS）軟開關(guān)實現(xiàn)。