近日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院柯徐剛研究員團(tuán)隊(duì)，提出了一款工業(yè)級(jí)可量產(chǎn)、應(yīng)用于大功率AI數(shù)據(jù)中心的基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵的高效率智能供電轉(zhuǎn)換芯片。該工作以題為 “A 96.1% Efficiency 48V-to-IBV GaN Power Converter with Full-Wave Temperature-Compensated Current Sensing and Adaptive Slope Emulation Achieving 4.3% Full-Temperature Sensing Error for AI Data Center Applications” 被 IEEE Custom Integrated Circuits Conference 2025（簡(jiǎn)稱CICC) 接收。論文的第一作者為浙江大學(xué)集成電路學(xué)院碩士生方逸可。
研究背景
隨著人工智能以及大語(yǔ)言模型的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的能耗不斷增加，高效、小型化以及高集成度的電源轉(zhuǎn)換器的需求變得尤為迫切。傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器通常轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)熱嚴(yán)重以及需要極大體積的散熱裝置，以及需要較大的PCB面積來(lái)容納磁性變壓器和功率器件。相比之下，多相降壓轉(zhuǎn)換器因其更小的磁性元件，更少的功率器件以及更為成熟的控制方式而越來(lái)越受歡迎。第三代半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）器件與同尺寸的硅 MOSFET 相比，具有更小的寄生電容和更低的導(dǎo)通電阻，是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)理想的功率器件選擇。第三代半導(dǎo)體氮化鎵可有效的提升供電轉(zhuǎn)換效率，降低功率損耗和發(fā)熱，以及極大的縮小了數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)方案的尺寸，便于實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心算力集成。
課題亮點(diǎn)
本高效率供電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過(guò)集成高壓智能控制器芯片和高性能氮化鎵功率芯片，為數(shù)據(jù)中心構(gòu)建出智能功率集成解決方案。在48V/12V的電壓轉(zhuǎn)換場(chǎng)景下，其單相輸出功率即可達(dá)120W以上，而通過(guò)多相并聯(lián)配置更能將系統(tǒng)總功率提升至千瓦量級(jí)，完全適配數(shù)據(jù)中心對(duì)大功率密度電源的嚴(yán)苛需求。
系統(tǒng)創(chuàng)新性整合三大關(guān)鍵技術(shù)模塊：首先，基于氮化鎵器件高頻特性優(yōu)化的動(dòng)態(tài)死區(qū)控制技術(shù)，將死區(qū)時(shí)間壓縮至納秒級(jí)，在典型的48V轉(zhuǎn)12V應(yīng)用場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)96.1%的峰值轉(zhuǎn)換效率，滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)高轉(zhuǎn)換效率的要求；其次，實(shí)時(shí)高精度的溫度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，配合溫度補(bǔ)償方案，成功將氮化鎵功率管的電流檢測(cè)誤差控制在±2.2%以內(nèi)（溫度范圍-40℃至125℃），大幅提升系統(tǒng)環(huán)路控制的穩(wěn)定性以及過(guò)流保護(hù)的響應(yīng)精度；最后，自適應(yīng)斜率擬合方案與基于采樣管的電流檢測(cè)技術(shù)協(xié)同工作，在極大程度降低損耗的同時(shí)，有效確保輸出的電流波形在電流過(guò)零點(diǎn)以及開關(guān)切換點(diǎn)處的連續(xù)性與平滑性。
研究成果
隨著通用人工智能AIGC時(shí)代的到來(lái)，基于GPU/TPU的數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和用電量急劇增加，降低能耗和提升電能轉(zhuǎn)換效率成為系統(tǒng)性的挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵的高效率智能供電設(shè)備，每年可為大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商減少超過(guò)數(shù)十億美元的能源成本，并減少近幾百萬(wàn)噸的二氧化碳排放量。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵的高效率智能供電設(shè)備，每年可為大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商減少超過(guò)數(shù)十億美元的能源成本，并減少近幾百萬(wàn)噸的二氧化碳排放量。為此，課題組提出了一款應(yīng)用于大功率AI數(shù)據(jù)中心的基于氮化鎵的高效率智能供電轉(zhuǎn)換芯片。該芯片在48V/12V的轉(zhuǎn)換條件下，單相可提供至少百瓦的輸出功率，多相條件下可以提供近千瓦的輸出功率。并且，結(jié)合實(shí)時(shí)高精度溫度檢測(cè)、全波形電流檢測(cè)、以及溫度補(bǔ)償和自適應(yīng)斜率擬合方案，該芯片在全溫度范圍內(nèi)可生成精確的雙向電流檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大功率、高轉(zhuǎn)換效率以及多重保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工業(yè)可靠性。
文章信息
標(biāo)題：A 96.1% Efficiency 48V-to-IBV GaN Power Converter with Full-Wave Temperature-Compensated Current Sensing and Adaptive Slope Emulation Achieving 4.3% Full-Temperature Sensing Error for AI Data Center Applications
作者：Yike Fang，Wei He，Jie Zou，Xiang Gao，Lenian He，Xugang Ke
研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介
柯徐剛
浙江大學(xué)集成電路學(xué)院、浙江大學(xué)百人計(jì)劃研究員
博士畢業(yè)于美國(guó)德州大學(xué)達(dá)拉斯分校（德州儀器總部所在地）。2017年起加入美國(guó)硅谷的世界著名半導(dǎo)體公司凌力爾特（Linear Technology）和Analog Devices（ADI），擔(dān)任事業(yè)部高級(jí)管理職務(wù)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)汽車芯片和高性能模擬芯片產(chǎn)品的研發(fā)和量產(chǎn)，與英偉達(dá)和谷歌等數(shù)據(jù)中心電源團(tuán)隊(duì)有合作和交流，且與美系、德系和日系車廠如豐田、本田、馬自達(dá)、特斯拉等的一級(jí)供應(yīng)商合作多年。
2023年起擔(dān)任ISSCC全球技術(shù)委員會(huì)（TPC）委員，曾四次在集成電路芯片領(lǐng)域國(guó)際頂尖ISSCC大會(huì)上發(fā)布第三代半導(dǎo)體和汽車芯片的技術(shù)突破。學(xué)術(shù)研究聚焦高壓模擬集成電路、高性能高可靠性汽車芯片、汽車和工業(yè)電池管理系統(tǒng)BMS以及第三代半導(dǎo)體功率芯片等。總共發(fā)表國(guó)際論文數(shù)十篇，其中包含集成電路芯片領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)會(huì)議和期刊ISSCC/JSSC/VLSI論文10篇，擁有中國(guó)、美國(guó)和歐洲專利數(shù)十項(xiàng)。
方逸可
浙江大學(xué)集成電路學(xué)院2024級(jí)碩士研究生
研究方向?yàn)楣β始澳M集成電路設(shè)計(jì)，包括高壓電源轉(zhuǎn)換器及氮化鎵驅(qū)動(dòng)。
（來(lái)源：浙江大學(xué)集成電路學(xué)院）
