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面向3kW/GPU：液冷AI电源MOS管的结温控制与材料创新
文章出处：平尚科技
责任编辑：平尚科技
发表时间：2025-12-18
随着单颗GPU功耗向千瓦级迈进，为其供电的液冷AI电源正面临前所未有的热密度挑战。在这种高功率密度设计中，功率MOSFET不再仅仅是开关元件，其结温已成为制约整个电源模块功率输出、效率与长期可靠性的核心瓶颈。高效液冷虽带走了外壳热量，但如何将芯片内部“热点”的热量更快导出至封装表面，是提升性能上限的关键。这驱使着MOS管技术向材料与结构创新的深水区迈进。
对于液冷AI电源中的MOSFET，其最大允许的通道温度（Tj max） 通常为150℃或175℃。然而，实际运行中应竭力控制的并非壳温，而是芯片内部硅晶格本身的温度——结温（Tj）。它由环境温度（对于液冷，是冷板温度）、封装热阻（RθJC）以及芯片自身的功率损耗共同决定。过高的结温会直接导致MOSFET的导通电阻（Rds(on)）增大，形成“损耗增加→温度升高→电阻更大”的热失控正反馈，最终引发效率坍塌或热击穿。因此，结温控制的本质是一场与热阻和损耗的赛跑。材料创新一：半导体材料的演进——从硅到宽带隙传统硅基MOSFET的性能在高压大电流下逐渐逼近物理极限。宽带隙半导体材料，如氮化镓（GaN），正成为突破瓶颈的关键。GaN材料具有更高的电子迁移率和临界击穿电场，其优势是革命性的：在相同耐压下，GaN器件的比导通电阻可比硅器件低一个数量级，这意味着更低的导通损耗。同时，GaN的开关速度极快，能轻松工作于数百kHz甚至MHz频率，大幅降低了开关损耗。这两大核心损耗的降低，直接从源头上减少了发热量，为控制结温提供了根本性的解决方案。国内产业链已能提供成熟的650V GaN-on-Si器件，其动态电阻（Rds(on)）的温度系数远低于硅MOSFET，这意味着即使在高温下，其性能衰减也更小。
材料创新二：封装与互联技术的革新——从引线键合到先进封装即使芯片本身损耗再低，若热量无法快速导出，结温依然会飙升。因此，封装热阻（RθJC）是另一个主战场。传统TO-247等封装采用细长的铝/金键合线连接芯片与引脚，其自身电阻和电感会成为新的热源与散热瓶颈。当前的主流创新方向是采用铜夹互联（Clip Bonding） 和先进贴片封装（如DFN8x8, LFPAK）。铜夹用一块厚实的铜片替代多根细键合线，直接连接芯片表面与外部引脚。其横截面积巨大，不仅将通态电阻和寄生电感降低了约30%，更重要的是，它成为了一条超高导热通道，能将芯片热量快速横向导出，可将RθJC降低至传统封装的一半以下，例如从0.5℃/W降至0.2℃/W。更进一步的是双面散热（Double-sided Cooling）封装。在这种封装中，MOSFET芯片被夹在两块陶瓷基板或金属衬底之间，上下表面均可通过导热材料接触冷板。这相当于为芯片开辟了“顶天立地”两条散热路径，能将RθJC再降低30%-50%，使得结温在同等功耗下显著降低。
将低损耗的GaN器件与低热阻的先进封装结合，再置于高效的液冷散热系统中，便形成了一个性能倍增的闭环。例如，一颗采用铜夹互联和优化内部填充材料的DFN封装的MOSFET，其热量可以极低的热阻传导至封装底部的金属焊盘。在液冷设计中，这个焊盘通过高导热性能的界面材料（如导热硅脂或相变材料），与经过精密加工的液冷冷板紧密贴合。国内领先的电源设计，已能利用这套组合，在3kW级别的GPU供电模块中，即使开关频率提升至300kHz以上以减小无源元件体积，仍能将MOSFET的峰值结温稳稳控制在110℃以下，远低于安全限值。这不仅确保了在长期满负荷AI训练下的绝对可靠，也为在有限空间内进一步提升功率密度打开了窗口。面向千瓦级GPU的液冷电源，其进化之路已清晰指向MOSFET的内部。结温控制这场“排热竞赛”的胜负手，在于从半导体材料到封装互联的全链路材料创新。通过应用GaN等低损耗材料，并采用铜夹互联、双面散热等先进封装技术，国内工业级技术完全有能力将高功率密度电源的“芯脏”温度控制在安全高效的范围内，为下一代AI算力的持续爆发，锻造出坚实可靠的能源基石。
