近日,浙江大學(xué)集成電路學(xué)院柯徐剛研究員團隊,提出了一款工業(yè)級可量產(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,便于實現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心算力集成。
課題亮點
本高效率供電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過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)換場景下,其單相輸出功率即可達(dá)120W以上,而通過多相并聯(lián)配置更能將系統(tǒng)總功率提升至千瓦量級,完全適配數(shù)據(jù)中心對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)化的動態(tài)死區(qū)控制技術(shù),將死區(qū)時間壓縮至納秒級,在典型的48V轉(zhuǎn)12V應(yīng)用場景下實現(xiàn)96.1%的峰值轉(zhuǎn)換效率,滿足數(shù)據(jù)中心對高轉(zhuǎn)換效率的要求;其次,實時高精度的溫度檢測網(wǎng)絡(luò),配合溫度補償方案,成功將氮化鎵功率管的電流檢測誤差控制在±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)定性以及過流保護的響應(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技術(shù)協(xié)同工作,在極大程度降低損耗的同時,有效確保輸出的電流波形在電流過零點以及開關(guān)切換點處的連續(xù)性與平滑性。
研究成果
隨著通用人工智能AIGC時代的到來,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,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)中心運營商減少超過數(shù)十億美元的能源成本,并減少近幾百萬噸的二氧化碳排放量。
根據(jù)統(tǒng)計,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)中心運營商減少超過數(shù)十億美元的能源成本,并減少近幾百萬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)合實時高精度溫度檢測、全波形電流檢測、以及溫度補償和自適應(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信號,實現(xiàn)大功率、高轉(zhuǎn)換效率以及多重保護來實現(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
研究團隊簡介
柯徐剛
浙江大學(xué)集成電路學(xué)院、浙江大學(xué)百人計劃研究員
博士畢業(yè)于美國德州大學(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)部高級管理職務(wù),帶領(lǐng)團隊負(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)中心電源團隊有合作和交流,且與美系、德系和日系車廠如豐田、本田、馬自達(dá)、特斯拉等的一級供應(yīng)商合作多年。
2023年起擔(dān)任ISSCC全球技術(shù)委員會(TPC)委員,曾四次在集成電路芯片領(lǐng)域國際頂尖ISSCC大會上發(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??偣舶l(fā)表國際論文數(shù)十篇,其中包含集成電路芯片領(lǐng)域國際頂級會議和期刊ISSCC/JSSC/VLSI論文10篇,擁有中國、美國和歐洲專利數(shù)十項。
方逸可
浙江大學(xué)集成電路學(xué)院2024級碩士研究生
研究方向為功率及模擬集成電路設(shè)計,包括高壓電源轉(zhuǎn)換器及氮化鎵驅(qū)動。
(來源:浙江大學(xué)集成電路學(xué)院)