?近日，浙江大學集成電路學院柯徐剛研究員團隊，提出了一款工業級可量產、應用于大功率AI數據中心的基于第三代半導體氮化鎵的高效率智能供電轉換芯片。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集成電路學院碩士生方逸可。
研究背景
隨著人工智能以及大語言模型的迅速發展，數據中心的能耗不斷增加，高效、小型化以及高集成度的電源轉換器的需求變得尤為迫切。傳統的電源轉換器通常轉換效率低、發熱嚴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通電阻，是數據中心供電系統理想的功率器件選擇。第三代半導體氮化鎵可有效的提升供電轉換效率，降低功率損耗和發熱，以及極大的縮小了數據中心系統方案的尺寸，便于實現更大規模的數據中心算力集成。
課題亮點
本高效率供電轉換系統通過集成高壓智能控制器芯片和高性能氮化鎵功率芯片，為數據中心構建出智能功率集成解決方案。在48V/12V的電壓轉換場景下，其單相輸出功率即可達120W以上，而通過多相并聯配置更能將系統總功率提升至千瓦量級，完全適配數據中心對大功率密度電源的嚴苛需求。
系統創新性整合三大關鍵技術模塊：首先，基于氮化鎵器件高頻特性優化的動態死區控制技術，將死區時間壓縮至納秒級，在典型的48V轉12V應用場景下實現96.1%的峰值轉換效率，滿足數據中心對高轉換效率的要求；其次，實時高精度的溫度檢測網絡，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（溫度范圍-40℃至125℃），大幅提升系統環路控制的穩定性以及過流保護的響應精度；最后，自適應斜率擬合方案與基于采樣管的電流檢測技術協同工作，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切換點處的連續性與平滑性。
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研究成果
隨著通用人工智能AIGC時代的到來，基于GPU/TPU的數據中心的規模和用電量急劇增加，降低能耗和提升電能轉換效率成為系統性的挑戰。根據統計，基于第三代半導體氮化鎵的高效率智能供電設備，每年可為大型數據中心運營商減少超過數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。
根據統計，基于第三代半導體氮化鎵的高效率智能供電設備，每年可為大型數據中心運營商減少超過數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用于大功率AI數據中心的基于氮化鎵的高效率智能供電轉換芯片。該芯片在48V/12V的轉換條件下，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斜率擬合方案，該芯片在全溫度范圍內可生成精確的雙向電流檢測信號，實現大功率、高轉換效率以及多重保護來實現數據中心供電系統的穩定性和工業可靠性。
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文章信息
標題：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
浙江大學集成電路學院、浙江大學百人計劃研究員
博士畢業于美國德州大學達拉斯分校（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體公司凌力爾特（Linear Technology）和Analog Devices（ADI），擔任事業部高級管理職務，帶領團隊負責汽車芯片和高性能模擬芯片產品的研發和量產，與英偉達和谷歌等數據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、特斯拉等的一級供應商合作多年。?
2023年起擔任ISSCC全球技術委員會（TPC）委員，曾四次在集成電路芯片領域國際頂尖ISSCC大會上發布第三代半導體和汽車芯片的技術突破。學術研究聚焦高壓模擬集成電路、高性能高可靠性汽車芯片、汽車和工業電池管理系統BMS以及第三代半導體功率芯片等。總共發表國際論文數十篇，其中包含集成電路芯片領域國際頂級會議和期刊ISSCC/JSSC/VLSI論文10篇，擁有中國、美國和歐洲專利數十項。
方逸可
浙江大學集成電路學院2024級碩士研究生
研究方向為功率及模擬集成電路設計，包括高壓電源轉換器及氮化鎵驅動。
（來源：浙江大學集成電路學院）