4新闻中心
GaN MOS管在液冷AI电源高频化中的优势与驱动挑战
文章出处：平尚科技
责任编辑：平尚科技
发表时间：2025-12-26
随着单颗AI处理器功耗向千瓦级迈进，为其供电的电源系统正面临效率与功率密度的极限挑战。提升开关频率是缩小无源元件体积、提升功率密度的关键路径，但这让传统硅基MOSFET的开关损耗和散热问题急剧放大。在此背景下，氮化镓（GaN）MOS管凭借其宽禁带材料的先天优势，正成为液冷AI电源实现高频高效运行的理想选择，同时也对驱动电路的设计提出了全新考验。
AI服务器电源的高频化，旨在将开关频率从传统的百kHz级推升至MHz级。频率的提升能显著减小变压器和滤波电感、电容的体积，为实现更高的功率密度创造条件。然而，传统硅基MOSFET在迈向高频时遭遇瓶颈：其开关损耗随频率线性增加，且存在固有的“拖尾电流”现象，关断过程缓慢。这不仅导致效率下降，产生的巨大热量在风冷环境下已难以处理，成为制约频率提升的主要矛盾。GaN器件的性能跃迁：不止于速度与硅器件相比，GaN MOS管在材料层面实现了性能跃迁，为高频化扫清了根本障碍。其优势具体体现在几个可量化的关键参数上：- 极低的开关损耗：GaN器件是多数载流子导电器件，没有体二极管反向恢复问题，可实现近乎“瞬间”的开关，开关损耗相比硅MOSFET大幅降低。这意味着在液冷AI电源中，即使工作频率提升数倍，GaN开关节点产生的热量也可能低于低频工作的硅器件。
- 更优的高温特性：GaN的电子迁移率高，其导通电阻（RDS(on)）随温度升高的变化幅度（正温度系数）比硅器件更平缓。这对于液冷环境尤其重要，因为冷板能保证器件壳温稳定，而GaN器件能在高温结温下仍保持相对较低的导通损耗，提升了系统在高温工况下的能效与可靠性。
- 推动系统级能效突破：这些器件级优势直接转化为系统级收益。例如，在服务器电源的PFC（功率因数校正）电路中，采用先进宽带隙半导体技术（如SiC或GaN）的解决方案，已能实现超过99%的转换效率。国内领先的电源设计，借助GaN器件已将LLC谐振拓扑的工作频率稳定推至500kHz以上，在3kW功率级的GPU供电单元中，峰值效率可达96%以上。
与液冷系统的天作之合
GaN的高频低损耗特性，与液冷散热的高效精准能力形成了完美协同。一方面，液冷系统通过直接接触的冷板，能够高效带走GaN器件在高频开关下产生的集中热量，避免局部过热，使其可以安全、持久地发挥性能极限。另一方面，GaN器件卓越的热性能也降低了对散热系统的绝对压力。先进的封装技术，如采用金属覆铜板（DBC）或双面散热（Dual Cool）的贴片封装，能将芯片结温快速传导至封装外壳。在液冷设计中，这种封装底部与液冷冷板通过高性能导热材料紧密结合，可实现低于0.5°C/W的极低界面热阻，确保结温被牢牢控制在安全范围内。不容忽视的驱动设计挑战然而，欲驱动GaN这把“利剑”，需配以精密的“剑鞘”，其驱动电路的设计面临独特挑战：- 严格的栅极电压容差：GaN器件的栅极耐压通常仅为±6V左右，远低于硅MOSFET的±20V。这就要求驱动电压必须精准、稳定，任何过冲或振荡都可能导致器件永久损坏。
- 对寄生参数极度敏感：MHz级的开关速度下，PCB布局上几个纳亨的寄生电感就会引起严重的电压尖峰和振铃。这不仅威胁栅极安全，也会在漏极产生电磁干扰。因此，驱动回路必须做到极致紧凑，采用开尔文连接、多层板铺地等设计来最小化寄生电感。
- 需要更强大的驱动能力：尽管GaN的栅极总电荷（Qg）较小，但要实现纳秒级的开关速度，驱动芯片仍需提供高达数安培的瞬态峰值电流，以确保栅极电容能被快速充放电。
平尚科技在工业级电源领域的实践表明，通过选用专用GaN驱动芯片、实施四层以上PCB的严谨布局与仿真，并采用负压关断等增强可靠性技术，能够有效应对这些挑战，充分发挥GaN在液冷AI电源高频化中的巨大潜力。在AI算力需求与日俱增的驱动下，电源技术的进化既需要器件材料的革命性突破，也需要散热与驱动系统的协同革新。GaN MOS管凭借其高速、高效、耐热的特性，与高效液冷系统相结合，正在将AI电源的高频高密度设计从蓝图变为现实。尽管精密的驱动设计是一道必须跨越的门槛，但它也构成了核心技术护城河的一部分。拥抱这一组合，无疑是构建下一代绿色、高效AI算力基础设施的关键一步。
