AI狂飙下的电源革命：SiC与GaN如何改写万亿能效规则

在最近刚刚结束的IIC Shanghai 2025的第29届高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛上，芯朋微驱动与器件模块产品线总监肖辉提到，由于800V HDVC（高压直流输电）具备更高的能效和空间利用率，谷歌、Meta等巨头800V HDVC招标启动；前不久NVIDIA GTC开发者大会上，台达也推出了用于AI数据中心的800V HDVC电源新品...

这些体现的都是新时代对电源新技术的期望与渴求，高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛上的几乎所有来宾都提到了“AI”一词。

都说AI接下来要创造万亿级别的市场价值，在生成式AI、机器人（Physical AI）为热门话题的大背景下，电源及周边技术与产品的发展必然呈井喷之势：尤其推动宽禁带半导体市场前行——参与本届论坛的6家企业中，有5家都花较大篇幅谈到了SiC（碳化硅）或GaN（氮化镓）。

借此机会，我们来谈谈现在的宽禁带器件发展和应用情况——当然也包括仍在广泛应用的硅基MOS产品。

 

功率器件竞争领域和市场潜力

ADI资深应用工程师黎剑源给出了目前不同功率器件竞争领域的划分，如下图所示。

这张图的横轴为开关频率，纵轴为功率段覆盖——坐标轴的不同位置也标注了具体的应用。该图相对完整地表达了主流功率器件所处的位置，尤其是硅基MOSFET, IGBT，还有现在大热的SiC和GaN器件。

英飞凌针对硅基MOSFET、SiC、GaN器件也有相似的对比图——且基于英飞凌目前在三个领域都涉足，就实际应用角度来看，英飞凌对这三者的划分可能也更有说服力，具体如下图：

英飞凌消费、计算与通讯业务大中华区首席工程师陈学顺说：“和传统的硅材料相比，SiC可兼顾开关频率与功率；GaN的优势则在于可将开关频率做得更高，但其功率段覆盖并不是特别宽。”

黎剑源也提到，GaN器件的Qg（栅极电荷）更小，开关速度可以更高；但其RDS(on)（漏源导通电阻）受温度影响大，故而在大电流和高温场景下面临性能劣势。加上应用的成本特性，这也是几类器件不同应用的根源。且陈学顺提到，目前GaN成本有走低趋势，则更多应用将逐渐接纳GaN产品。

因为英飞凌涉足三种材料的功率器件，这家公司也对三类器件的不同特性做了比较详细的对比。宽禁带器件在带隙、临界电场强度、电子迁移率、热导率、电子饱和漂移速度等方面都有优势；在同样尺寸下宽禁带器件可以实现更高的耐压，则芯片可以做得更小。

上面这张图灰色为硅超级结（super junction），紫色为GaN HEMT，橙色为SiC MOSFET。其中左侧柱状图纵轴为RDS(on) * Qoss（输出电容电荷）——因为实现更高的效率可以视作在将RDS(on)做低的情况下，兼顾开关损耗；右侧柱状图纵轴为RDS(on) * Qrr（反向恢复电荷）。

从这张图的对比来看，GaN和SiC器件有着明显更高的转换效率：无论是开关损耗，还是GaN HEMT约等于0nc的Qrr典型值（因为无PN结，反向恢复电荷为零）。当然图中具体对比的是英飞凌的几款不同产品（CoolMOS, CoolGaN, CoolSiC）。

另外考量Qg（即驱动损耗）——在越高的频率之下，驱动损耗成为不可忽略的因素；以及Eoss（输出电容存储的能量）——这个量也是开关损耗的组成部分，也被视为提升功率密度与效率的关键。这组对比能够看到GaN的显著优势。

在宽禁带器件于电源应用发展潜力的技术依据方面，是德科技高速数字电路业务拓展经理朱华朋给出了更具体的硅基器件与SiC/GaN器件在一些关键参数，包括栅极电荷、反向恢复、开关参数上的比较——“频率越高损耗率自然就越高”，“这些相关参数的提升主要改变的就是开启关断的损耗，频率才能提升。”朱华朋说。

从更具体的市场和产品角度来看，在硅基MOS方面，英飞凌有低压和高压MOS产品。随每一代硅基MOS推出，走向更低的导通阻抗，当前英飞凌正逐步向客户推第8代产品（CoolMOS 8）——这一代已经不像过去那样有诸多子系列。陈学顺说原因一方面是硅材料本身在该应用方向近极限的发挥；另一方面将优化技术放在同一个系列中，对客户而言也更简洁。

芯朋微也有对应产品：虽说肖辉在主题演讲中着重介绍了集成化的辅源IC与PFC控制器——集成功率器件的诸如ACDC/DCDC产品为芯朋微出货主力，我们在芯朋微的6大产品线中，还是看到其分立的功率器件产品覆盖了硅基MOSFET和宽禁带器件。在谈工业电源应用中的分立器件时，肖辉介绍了硅基MOSFET和IGBT。

其超级结MOSFET产品有650V和800V选择，“在ACDC里面出货很多——现在也有了相应的分立器件”，导通阻抗从22mΩ-380mΩ；另外也有1500V的VDMOS（垂直双扩散MOS），“集成ACDC里面也早就在用”，分立的有3A, 4A两种规模。而IGBT功率器件可选650V，覆盖6A-150A。

对SiC功率器件而言（不单是SiC MOSFET），英飞凌给出了Yole Intelligence的数据，2022-2027的CAGR年复合增长率可达33%，其中也给出了不同应用的增长情况，以及不同SiC器件和模组的增长空间。

有关英飞凌CoolSiC产品及迭代详情，本文不做赘述——其中也涉及不少关键技术点，如CoolSiC G2的.XT互联技术可实现更低热阻等。

目前二代CoolSiC覆盖600V, 650V, 750V, 1200V, 1700V, 2000V, 3300V不同型号，包括单管与模组，面向工业和汽车市场；还有个400V CoolSiC产品，是英飞凌在了解客户需求之后所推面向特定客户更高效的解决方案，着眼电信、LEV、光伏、UPS等应用。

肖辉介绍芯朋微在工业电源应用中对应的宽禁带功率器件产品，“1700V的SiC集成IC也早就大批量出货了”，“现在提供1700V分立器件”，“TO-247-3L和263-7L两个封装已经在出货”；还有1200V 30/80mΩ的SiC MOSFET可选；GaN产品方面，芯朋微提供650V D-GaN（耗尽型）——“我们的低压GaN其实已经在快充产品中大量出货，针对工业电源选择了D-GaN”，通态阻抗35mΩ-70mΩ。

 

GaN成绝对热点，但驱动是挑战

针对英飞凌的CoolGaN产品和技术，后续我们将特别撰文做介绍——总的来说，GaN HEMT应当是英飞凌当前寄予厚望的方向，包括此前英飞凌对于GaN Systems的收购都能看出这一点。同样是Yole的数据，GaN功率器件市场2022-2027的CAGR年复合增长率约为56%，未来5年的累计市场潜力60亿美元：市场空间广阔。

目前英飞凌提供GaN器件覆盖100V, 200V, 600-700V区间，两条线并行英飞凌原有CoolGaN技术方案，及收购GaN Systems获得的技术路线。

同样能看出GaN市场发展潜力的，在于ADI在本届论坛上谈论的主题为GaN栅极驱动器和控制器。黎剑源也特别谈到GaN器件能够有效降低开关损耗、提高效率；电源系统设计随之简化，无源器件可走向小型化；同时无内置反向体二极管，效率也能得到较大提升。加上GaN易于做硅工艺集成，更高的开关频率可带来更高的功率密度，显然在AI时代，其发展潜力是不可限量的。

但GaN驱动存在挑战，包括需要对Vgs（栅源电压）进行更严格的限制；反向导通期间器件两段压降可能更高；加上GaN开关速度快，dv/dt（漏源极电压变化率）较高，为减少寄生参数则要求更为仔细的器件布局；和硅基MOSFET相较，栅极漏电流也更高...

黎剑源举例谈到利用GaN器件最大限度提高DCDC电源转换效率，以及提高BLDC无刷直流电机的运行速度。ADI通过灵活的GaN栅极驱动器和控制器方案，能够应对GaN器件驱动的挑战。

对于DCDC转换而言，在GaN器件RDS(on)低、导通损耗低的优势之下，GaN器件的总栅极电荷明显低于硅基MOSFET，则要求栅极驱动器上拉（Source Current）、下拉电流（Sink Current）能力更高，如此才能令GaN驱动速度最大化。另外，高频下GaN的死区损耗也更高，就要求最大限度减少死区时间损耗。

至于利用ADI的GaN HEMT栅极驱动器来优化BLDC控制，“我们做了个400KHz的BLDC电机”，效率和功率密度更高，且开关频率更高则噪声和震动控制也更加平滑，环路带宽更高也有了更快的响应速度。与此同时，高频开关特性对驱动器的抗干扰能力提出了严苛要求，通过独立的上拉和下拉栅极驱动可做微调，且不受高电压变化影响。

基于上述背景，黎剑源介绍了ADI的LT8418——集成了智能自举开关的100V半桥GaN驱动器，具备灵活（可调导通/关断时间的分离式栅极驱动器）、可控（传播延迟典型值10ns，上下管传播延迟匹配1.5ns、高dv/dt抗扰度）、强大（集成智能自举开关、欠压和过压锁定）的特点，可应用于包括100V D类音频放大器、数据中心电源、高频DCDC转换器等应用中——ADI也提供了LT8418评估套件和LTSpice仿真模型。

对应的产品介绍还有100V控制器，包括降压控制器LTC7890/1和升压控制器LTC7892/3，同样提到了3MHz开关频率、集成智能自举开关、近零死区时间、上拉和下拉分离栅极驱动、带电阻器的死区时间控制等特性。对应的评估套件及仿真模型亦均有配套。这些产品都能有效解决上述挑战中遇到的问题。

肖辉也在介绍中提到，芯朋微面向开关功率器件的预驱和驱动产品；因为谈得比较泛，此处不再做单独介绍。

 

对测试也带来了挑战

高频的复杂性不仅影响电路设计，更对测试设备提出严苛要求。“GaN和SiC带动开关频率提升，这对开关电源是革命。”朱华朋说，“但这对设计、测试都带来了更多的挑战。”“高频测试要考虑很多问题”，比如高精度纹波测试；MOSFET驱动信号测试——更高频率的驱动信号更容易震荡；Vds电压测试；MOSFET损耗测试；波特图测试；自动化测试等...

加上在AI时代，“AI推动下的高速信号供电系统变化”，降低系统损耗要求采用更低的供电电压，电流对应增加；则信号相对的电压容限（tolerance）更小了；时钟信号还受到电源纹波的影响——电压变小之后，纹波震荡更大程度影响时钟信号。

比如说对于纹波测试而言，朱华朋举例10:1的探头精确测试很难，而1:1的探头带宽又小，同轴线缆存在偏置问题，同轴线缆+DC block则会影响低频噪声和抖动的观察。是德科技的方案为N7020A电源探头，2GHz/6GHz的带宽，“24V直流偏置，可随意调整偏置，小至1mV的垂直刻度”；“针对高速数字或AI电源设计，我们倾向于采用这种高带宽的1:1电源探头做测试”。

此外电源纹波也会影响芯片高速数字电路的信号质量，在发现后端测试的信号质量不好时，很难判断是电源纹波造成的还是数字电路本身的问题。“我们的示波器有个软件，能够将电源纹波隔离出来，用于验证后端高速数字信号设计。”

而是德科技D9010POWA电源完整性分析软件能够模拟电源没有纹波的情况，了解后端信号质量，“可避免客户在完全不了解结果的情况下无意义地修改layout，或者说这样能让他们更有针对性地优化layout设计”。

基于此，朱华朋特别介绍了InfiniiVision HD3系列示波器：200MHz-1GHz带宽，“是行业内第一台14bit的示波器”“最优的低噪水平”，“模拟前端性能和UXR系列是同级别的，噪声非常小，远低于所有竞品（10x），也包括我们自己老款的示波器。”“存储深度100Mpts，波形捕获率1300000 wfms/s”。

朱华朋总结HD3的价值包括简化MOSFET开关损耗测试、高精度边沿电压触发、领先的纹波测量精度、高精度PSRR & Bode测试、最佳FFT底噪水平、更高的触发灵敏度（0.01div - 0.01格，相对其他示波器的0.6格）、更强的抗噪能力（数字触发，减少误触发）、更深的存储深度，以及支持光隔离探头。

此处值得一提的是，是德科技新推出的光隔离差分探头，特别适用于宽禁带器件测试。除了由于共模耐压问题，传统差分探头难适配、底噪大，更在于其共模抑制比较差。“对于光隔离探头而言，在5V或10V差模电压时，共模电压是60000V，那么就可以选择非常适合的差分探头，不需要考虑共模电压问题；且其共模抑制比可以做到80dB，400V的震荡也不会影响到Vgs——它天然地适合高共模电压需求。”

另外还有自动化测试能力，朱华朋特别提到基于Benchvue，就能控制所有类型的设备“编一套自动化的测试系统”。

最后从微观层面再度回到电源技术及产品发展的宏观层面。如文首所述，肖辉在主题演讲开头就提到AI的发展会对我们每个人的生活造成影响，程度超过智能手机。“AI的高速发展，包括数据中心GPU算力的大幅提升，数据中心的功率密度要求会变得非常高，空间利用率问题也至关重要。”

显然电源和宽禁带相关技术会持续成为半导体及电子产业前行的底层驱动力之一，尤其在AI技术发展需求及对应的AI数据中心功耗预期远超现有供给的情况下，深入发展供电相关技术正变得迫切而必要。