響應(yīng)市場(chǎng)需求：

以可靠的碳化硅基固態(tài)變壓器為 AI 人工智能賦能

作者：Ashish Kumar 博士，Wolfspeed 中高電壓研究科學(xué)家

英偉達(dá)在 2025 年 Computex 上宣布的 800 V 高電壓直流架構(gòu) — 從根本上改變了人工智能工廠的電力傳輸方式，直接提升了 GPU 密度和效率[1]。通過(guò)以更高電壓分配電力，顯著減少了布線要求，為額外 GPU 騰出機(jī)架空間，并實(shí)現(xiàn)了新興的 1 MW 機(jī)架設(shè)計(jì)。該架構(gòu)可將端到端電源效率提升高達(dá) 5%，并將維護(hù)成本降低 70%。碳化硅是關(guān)鍵賦能技術(shù)：800 V 直流母線需要 1200 V 碳化硅 MOSFET 用于 AC-DC 整流和 DC-DC 轉(zhuǎn)換，可將轉(zhuǎn)換損耗降低 25-40%。

圖 1：英偉達(dá)下一代人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心中的

800 V 直流配電架構(gòu) [1]

然而，實(shí)現(xiàn)這一愿景需要解決一個(gè)上游問(wèn)題。在圖 2 中，國(guó)際能源署 (IEA) 警告稱，大約 20% 的計(jì)劃內(nèi)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目因電網(wǎng)限制和傳統(tǒng)變壓器供應(yīng)鏈瓶頸而面臨延期風(fēng)險(xiǎn)[2]?？s短人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心的建設(shè)周期對(duì)于減輕此風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。加速的全球部署正在延長(zhǎng)連接數(shù)據(jù)中心設(shè)施與公用事業(yè)電網(wǎng)的中電壓變壓器的采購(gòu)和安裝周期。中電壓變壓器的可獲性正成為人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心擴(kuò)張的主要制約因素之一，其交貨期長(zhǎng)達(dá) 3 年[3]。

圖 2：面臨并網(wǎng)延遲的數(shù)據(jù)中心建設(shè)項(xiàng)目吉瓦時(shí)數(shù) [2]

解決方案在于固態(tài)變壓器 (SST) — 一種基于電力電子的替代傳統(tǒng)鐵芯變壓器的方案，它可以將中電壓電網(wǎng)電力直接轉(zhuǎn)換為 800 V 直流電，從而極大地壓縮部署時(shí)間線，并實(shí)現(xiàn)模塊化、可擴(kuò)展的電網(wǎng)互聯(lián)。

碳化硅再次成為賦能技術(shù)：中高電壓碳化硅器件是加速固態(tài)變壓器 (SST) 發(fā)展的關(guān)鍵半導(dǎo)體突破，它能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)硅材料無(wú)法達(dá)到的更高開(kāi)關(guān)頻率、更優(yōu)熱性能和緊湊外形。由此看來(lái)，碳化硅在人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心革命中的作用遠(yuǎn)不止于機(jī)架內(nèi)部 — 它對(duì)于從電網(wǎng)到 GPU 的整個(gè)電力傳輸鏈都至關(guān)重要。

并網(wǎng)的可再生能源正被更多地用于當(dāng)今數(shù)據(jù)中心的電力基礎(chǔ)設(shè)施。但隨著功耗水平增加，以及超大規(guī)模企業(yè)接入更大規(guī)模電網(wǎng)—或創(chuàng)建自己的微電網(wǎng)—確保功率轉(zhuǎn)換在快速變化的負(fù)載曲線下保持穩(wěn)定且可靠是一個(gè)亟待攻克的工程障礙。

簡(jiǎn)而言之，電力可獲性至關(guān)重要，而固態(tài)變壓器 (SST) 可能是人工智能 (AI) 領(lǐng)域的“白馬”。

為什么變壓器很重要？

傳統(tǒng)變壓器很常見(jiàn)，其根本目的是升降交流輸入電壓，并將電力從 A 點(diǎn)傳輸?shù)?B 點(diǎn)。它們可能非常龐大，盡管性質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單，包含沉重的銅繞組和磁芯以“變壓”到合適的輸出電壓。電子制造商正在重新構(gòu)想變壓器概念，轉(zhuǎn)向固態(tài)變壓器 (SST)，用輕量級(jí)的固態(tài)半導(dǎo)體器件取代沉重的銅線圈。與傳統(tǒng)變壓器不同，固態(tài)變壓器 (SST) 能更快地響應(yīng)變化需求，并智能地調(diào)整其功率流和輸出。早期的固態(tài)變壓器 (SST) 概念可能會(huì)整合傳統(tǒng)上由開(kāi)關(guān)設(shè)備和 UPS / 電池系統(tǒng)提供的功能，使直流計(jì)算負(fù)載能夠直接從公用電網(wǎng)或替代電源獲得電力。

至少，如果固態(tài)變壓器 (SST) 能夠滿足未來(lái) 800 V 直流機(jī)架架構(gòu)將帶來(lái)的可變功率范圍，它本身就很有價(jià)值。但高功率密度的固態(tài)變壓器 (SST) 為數(shù)據(jù)中心原始設(shè)備制造商 (OEM) 帶來(lái)了巨大價(jià)值，他們正試圖在不犧牲供電正常運(yùn)行時(shí)間的情況下，充分利用人工智能 (AI) 園區(qū)極其寶貴的地面空間。一些制造商正在尋找獨(dú)特的方法，將更智能的保護(hù)和控制算法與穩(wěn)健的隔離相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，旨在避免任何電力停機(jī)。

在采購(gòu)傳統(tǒng)變壓器面臨商業(yè)挑戰(zhàn)的同時(shí)，固態(tài)變壓器 (SST) 的試點(diǎn)部署正在進(jìn)行中。數(shù)據(jù)顯示，到 2025 年，數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)建和啟動(dòng)可能導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的交貨期和近 30% 的必要變壓器短缺[4]。

通過(guò)中高電壓碳化硅器件實(shí)現(xiàn)可靠固態(tài)變壓器 (SST) 的兩種途徑

人工智能 (AI) 數(shù)據(jù)中心的電源輸入通常連接到 13.8 - 35 kV 交流電等級(jí)。固態(tài)變壓器 (SST) 將高電壓交流輸入轉(zhuǎn)換為連接到計(jì)算機(jī)架的 800 V 直流輸出。圖 3 展示了一個(gè)典型固態(tài)變壓器 (SST) 架構(gòu)的簡(jiǎn)化構(gòu)建模塊，該模塊由多個(gè)基于單元直流母線和功率器件電壓等級(jí)的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器單元組成。

圖 3：由多個(gè)級(jí)聯(lián)單元組成的典型固態(tài)變壓器 (SST) 架構(gòu)

Wolfspeed 一直在與領(lǐng)先的固態(tài)變壓器 (SST) 制造商合作，以了解他們的核心限制。Wolfspeed 的中電壓到高電壓裸芯片和模塊產(chǎn)品組合正在擴(kuò)大，提供碳化硅選項(xiàng)，使得能夠可擴(kuò)展地采用碳化硅，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)解決方案高出數(shù)倍的功率密度。下面的表 1 總結(jié)了基于中電壓和高電壓碳化硅的固態(tài)變壓器 (SST) 設(shè)計(jì)之間的一些權(quán)衡。

表 1：使用中電壓和高電壓額定碳化硅器件設(shè)計(jì)的固態(tài)變壓器 (SST) 之間的關(guān)鍵細(xì)微差別

好消息是，幾種碳化硅技術(shù)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)已可集成到設(shè)計(jì)中，為各種固態(tài)變壓器 (SST) 架構(gòu)提供了靈活的路徑。對(duì)于優(yōu)先考慮基于中電壓器件的固態(tài)變壓器 (SST) 的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，WolfPACK功率模塊優(yōu)異的開(kāi)關(guān)性能有助于減小無(wú)源器件尺寸，并且與 2 kV 器件相比，該器件具有 15% 的更高電壓裕量，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了為完整 1500 V 直流母線供電的靈活性。

但回到我之前關(guān)于電源可靠性的觀點(diǎn)，因此每個(gè)中電壓 Wolfspeed 模塊的設(shè)計(jì)都考慮到了耐久性。這些 WolfPACK 模塊因其極低的宇宙射線失效率性能，能在各種海拔高度下提供可預(yù)測(cè)的性能。

圖 4：CAB5R0A23GM4T 2300 V、5 m?半橋模塊，可選預(yù)涂導(dǎo)熱界面材料

通往基于高電壓直流單元的固態(tài)變壓器 (SST) 的清晰路徑

對(duì)于高電壓（>5 kV 阻斷電壓）設(shè)計(jì)，固態(tài)變壓器 (SST) 設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)采用 Wolfspeed 的新型10 kV 碳化硅功率 MOSFET實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的單元架構(gòu)。CPM3-10000-0300A 實(shí)現(xiàn)了 99% 的卓越轉(zhuǎn)換效率，與傳統(tǒng)的基于高壓硅 IGBT 的設(shè)計(jì)相比，這可以使熱冷卻系統(tǒng)體積減少 50%。固態(tài)變壓器 (SST) 中更高的開(kāi)關(guān)頻率直接減小了磁性元件的尺寸和重量，因?yàn)樗璧拇啪€圈和磁芯尺寸隨頻率增加而減小。為了保持磁性元件緊湊，固態(tài)變壓器 (SST) 功率級(jí)通常針對(duì)高于 10,000 Hz 的開(kāi)關(guān)頻率。傳統(tǒng)的 6500 V 硅 IGBT 具有高開(kāi)關(guān)損耗，通常僅限于幾百赫茲的開(kāi)關(guān)，這使得基于硅 IGBT 的高電壓直流單元固態(tài)變壓器 (SST) 不切實(shí)際。相比之下，Wolfspeed 10 kV 碳化硅 MOSFET 可以在10,000 Hz以上運(yùn)行，具有顯著更低的開(kāi)關(guān)損耗和更快的開(kāi)關(guān)速度，使得緊湊、輕量化的固態(tài)變壓器 (SST) 成為可能。

圖 5：CMP3-10000-0300A 10,000 V, 305 mW 碳化硅 MOSFET 裸芯片

雙極型退化是高電壓碳化硅器件長(zhǎng)期運(yùn)行后失效的主要原因之一。Wolfspeed 10 kV MOSFET 也是其同類產(chǎn)品中首個(gè)商業(yè)化碳化硅器件，其通過(guò)體二極管工作壽命測(cè)試驗(yàn)證了雙極穩(wěn)定性，在超過(guò) 1000 小時(shí)的測(cè)試中未出現(xiàn)雙極退化。此外，CPM3-10000-0300A 在典型的 6000 V 直流工作條件下，其宇宙射線失效率要求比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)異 4 倍，確保了固態(tài)變壓器 (SST) 在整個(gè)使用壽命期間更少的單點(diǎn)故障。雖然對(duì)于一個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這些說(shuō)法可能聽(tīng)起來(lái)很大膽，但請(qǐng)?jiān)试S我解釋為何可以相信這些數(shù)據(jù)。Wolfspeed 在寬禁帶材料開(kāi)發(fā)方面有著悠久的歷史，并且已經(jīng)展示 > 5 kV 碳化硅功率器件近 20 年。作為我們中高電壓部門(mén)的一名研究科學(xué)家，我感覺(jué)自己完成了一個(gè)循環(huán)，并為這項(xiàng)我曾以多種身份親身參與的技術(shù)感到自豪。2021 年，我發(fā)表了題為“高電壓碳化硅功率器件在中電壓功率變換器應(yīng)用中的研究”的博士論文。我的大部分博士研究都是基于 Wolfspeed 的 10 kV 碳化硅 MOSFET。中高電壓碳化硅長(zhǎng)期以來(lái)一直是 Wolfspeed 擅長(zhǎng)的領(lǐng)域！

我們從這里走向何方？

如果固態(tài)變壓器 (SST) 是答案（我相信是的），那么要實(shí)現(xiàn)更快的推向市場(chǎng)的速度，需要的就不僅僅是碳化硅 MOSFET 制造商的推動(dòng)。固態(tài)變壓器 (SST) 設(shè)計(jì)并非易事，而且關(guān)鍵部件在正確的電壓等級(jí)上并不廣泛可用，這可能需要固態(tài)變壓器 (SST) 供應(yīng)商進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，并使得多供應(yīng)商采購(gòu)成為挑戰(zhàn)。

考慮到固態(tài)變壓器 (SST) 處理的功率，安全性至關(guān)重要。必須精心設(shè)計(jì)保護(hù)方案，并且高電壓節(jié)點(diǎn)需要毫秒級(jí)的直流故障清除能力。公用事業(yè)客戶僅將轉(zhuǎn)換器效率作為目標(biāo)基準(zhǔn)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。效率是入場(chǎng)券—但安全性和耐久性才是差異化因素。

雖然適用于額定電壓 3.3 kV 及以下的碳化硅器件的柵極驅(qū)動(dòng)器在市場(chǎng)上可以買(mǎi)到，但適用于高電壓碳化硅的兼容柵極驅(qū)動(dòng)器卻非常稀缺。與高電壓碳化硅器件兼容的中頻磁性元件和絕緣系統(tǒng)也尚未商品化，這使得器件設(shè)計(jì)的責(zé)任落在了固態(tài)變壓器 (SST) 供應(yīng)商身上。我確信，通過(guò)合適的合作伙伴關(guān)系，碳化硅 MOSFET 集成器件制造商能夠提供固態(tài)變壓器 (SST) 所需的性能，但我們需要來(lái)自各類電子制造商的集體推動(dòng)來(lái)填補(bǔ)這些空白。

電源和無(wú)源電子制造商或許正面臨一個(gè)不可多得的機(jī)遇，來(lái)塑造像人工智能 (AI) 這樣改變生活的技術(shù)部署的步伐和程度。對(duì)于其他供應(yīng)商，我衷心期望，通過(guò)大家的齊心協(xié)力，提供對(duì)于為更可靠的人工智能 (AI) 基礎(chǔ)設(shè)施供電至關(guān)重要的組件。

來(lái)源：

[1] NVIDIA: Building the 800 VDC Ecosystem for Efficient, Scalable AI Factories

[2] IEA: AI and energy security report

[3] Northfield Transformers: Preparing for the Next Surge: How Data Center Expansion is Reshaping Transformer Demand

[4] Transformer Magazine: U.S. faces 30% transformer shortfall in 2025

目前已推出的適合固態(tài)變壓器 (SST) 應(yīng)用的 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊產(chǎn)品包括：

CAB5R0A23GM4：2300 V、5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板)

CAB5R0A23GM4T：2300 V、5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板) 、預(yù)涂導(dǎo)熱界面材料

CAB6R0A23GM4：2300 V、6 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板)

CAB6R0A23GM4T：2300 V、6 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板) 、預(yù)涂導(dǎo)熱界面材料

CAB7R5A23GM4：2300 V、7.5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板)

CAB7R5A23GM4T：2300 V、7.5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板) 、預(yù)涂導(dǎo)熱界面材料

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國(guó)紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內(nèi)推動(dòng)碳化硅技術(shù)采用方面處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位，這些碳化硅技術(shù)為全球最具顛覆性的創(chuàng)新成果提供了動(dòng)力支持。作為碳化硅領(lǐng)域的引領(lǐng)者和全球最先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過(guò)面向各種應(yīng)用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產(chǎn)品，助您實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想，成就非凡 (The Power to Make It Real)。