AI數據中心高壓中間母線轉換器應用選型：橫向 GaN HEMT 、 SiC MOSFET與SiC Cascode JFET對比

隨著AI數據中心向更高功率密度和更高效能源分配演進 ，高壓中間母線轉換器 （ HV IBC） 正逐漸成為下一代云計算供電架構中的關鍵器件。

本文針對橫向GaN HEMT 、 碳化硅MOSFET 及SiC Cascode JFET （CJFET ） 三類寬禁帶功率器件， 在近1 MHz 高頻開關條件下用于高壓母線轉換器的性能展開對比分析。 重點評估了導通損耗、 開關特性、 柵極電荷損耗及緩沖電路需求等關鍵指標。 同時， 本文亦探討了三種諧振轉換器拓撲——堆疊式LLC 、 單相LLC 與三相LLC ——對其系統效率與元件數量的影響。 

仿真結果表明， 盡管三類半導體器件的系統總損耗相近， 但CJFET 因結構簡單、 驅動便捷， 在成本方面具備顯著優勢 。 在拓撲比較中， 三相LLC 通過有效降低RMS 電流并減少元件數量， 表現出更優的綜合性能。 本研究為未來高壓 IBC設計中半導體選型與拓撲配置提供了理論依據， 安森美（ onsemi ） 正開展相關實驗驗證工作。

本文為第一篇，將介紹高壓IBC中的半導體技術、器件的關鍵評估指標包括導通損耗、 開關特性與緩沖電路等。

當前， 云計算供電架構正朝著更高傳輸電壓的方向演進。這一趨勢不僅體現在數據中心與電網的連接方式上 ——將通過固態變壓器直接接入中壓電網， 也體現在數據中心內部的電力分配系統中——其正逐步轉向高壓直流配電架構 。 在該架構下， 計算托盤將直接連接至 800 V直流母線， 隨后通過高壓IBC將電壓降至50V或12V， 為下游負載供電。

高壓IBC具備以下關鍵特性：
? 實現電壓降壓（16:1或64:1變換比）
? 提供電氣隔離以保障安全
? 非穩壓輸出
? 具備短時過載能力
? 超緊湊的外形尺寸
? 轉換效率高

本白皮書將重點圍繞實現上述目標的轉換器拓撲結構與半導體技術展開探討。 內容主要聚焦于原邊的拓撲選擇與半導體器件；副邊假定采用低壓硅基 MOSFET ， 并配置為中心抽頭電流倍增器或全橋結構。

為滿足高壓IBC在小型化設計中無源元件的布局要求 ， 系統需以極高的開關頻率（接近1 MHz ） 運行。 因此可選的半導體器件被限定為寬禁帶器件， 主要包括：氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT ） 、 碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管 （ SiC MOSFET ） 以及 SiC Cascode JFET(CJFET ） 。 在本應用中 ， 上述器件的關鍵評估指標集中于導通損耗、 開關特性與成本三個方面。

導通損耗
這三種器件在導通狀態下均可用電阻 R ds,on 來表征（ 與IGBT 等具有恒定導通壓降的器件不同 ） 。 因此， 其導通損耗與流經電流的平方成正比：
P_con = R_ds,on x I²_{ds (方程1)}

R_ds,on 會隨溫度升高而增加， 其標稱值僅適用于25°C的結溫。 下表對比了典型GaN 器件、 安森美M3S 650 V器件以及安森美第四代CJFET 750 V器件的導通電阻隨溫度上升的情況。

在此過渡階段， 轉換器不傳輸任何功率。 因此， 將其保持在整個開關周期的較小比例更為有利 。 對方程（2） 進行時間變量積分并求解勵磁電流， 可得到方程（3） 。

該方程可用于計算在給定時間（t_d） 內， 根據半導體器件的電容（C_OSS ） 完成電壓轉換所需的勵磁電流（I_m ） 。 表2列出了各半導體技術對應的結果。

達到該勵磁電流所需的勵磁電感， 可通過以下方式推導：對施加在變壓器原邊的電壓（該電壓由副邊反射而來） 進行積分， 再除以所需的勵磁電流， 如方程（4） 所示。

損耗
為基于損耗對比三種半導體器件的性能， 需進行系統級仿真。 例如， 更大的輸出電容（COSS ） 需更大的勵磁電流 ，從而增加變壓器銅損 。 圖2展示了堆疊式 LLC 轉換器的總損耗， 包括磁芯損耗、 銅損、 柵極驅動損耗以及開關與導通損耗， 其中所仿真的轉換器與“轉換器拓撲” 一節中所述的規

格和設計相匹配。

圖2.采用不同原邊開關器件的堆疊式LLC 轉換器系統損耗

三種器件的總損耗對比結果顯示其性能幾乎相同。 為深入分析， 圖3進一步給出了按損耗來源分解的結果 。 該分解表明， 在此轉換器中， 半導體技術的選擇對整體損耗影響甚微：GaN HEMT 雖柵極驅動損耗較低， 但其較高的導通電阻導致導通損耗增加， 最終使各類器件的整體表現趨于一致。

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