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研究内容

/CONTENT

近日，浙江大学集成电路学院柯徐刚研究员团队，提出了一款工业级可量产、应用于大功率AI数据中心的基于第三代半导体氮化镓的高效率智能供电转换芯片。该工作以题为 “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（简称CICC) 接收。论文的第一作者为浙江大学集成电路学院硕士生方逸可。

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研究背景

/ BACKGROUND

随着人工智能以及大语言模型的迅速发展，数据中心的能耗不断增加，高效、小型化以及高集成度的电源转换器的需求变得尤为迫切。传统的电源转换器通常转换效率低、发热严重以及需要极大体积的散热装置，以及需要较大的PCB面积来容纳磁性变压器和功率器件。相比之下，多相降压转换器因其更小的磁性元件，更少的功率器件以及更为成熟的控制方式而越来越受欢迎。第三代半导体氮化镓（GaN）器件与同尺寸的硅 MOSFET 相比，具有更小的寄生电容和更低的导通电阻，是数据中心供电系统理想的功率器件选择。第三代半导体氮化镓可有效的提升供电转换效率，降低功率损耗和发热，以及极大的缩小了数据中心系统方案的尺寸，便于实现更大规模的数据中心算力集成。

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课题亮点

/ HIGHLIGHT

本高效率供电转换系统通过集成高压智能控制器芯片和高性能氮化镓功率芯片，为数据中心构建出智能功率集成解决方案。在48V/12V的电压转换场景下，其单相输出功率即可达120W以上，而通过多相并联配置更能将系统总功率提升至千瓦量级，完全适配数据中心对大功率密度电源的严苛需求。

系统创新性整合三大关键技术模块：首先，基于氮化镓器件高频特性优化的动态死区控制技术，将死区时间压缩至纳秒级，在典型的48V转12V应用场景下实现96.1%的峰值转换效率，满足数据中心对高转换效率的要求；其次，实时高精度的温度检测网络，配合温度补偿方案，成功将氮化镓功率管的电流检测误差控制在±2.2%以内（温度范围-40℃至125℃），大幅提升系统环路控制的稳定性以及过流保护的响应精度；最后，自适应斜率拟合方案与基于采样管的电流检测技术协同工作，在极大程度降低损耗的同时，有效确保输出的电流波形在电流过零点以及开关切换点处的连续性与平滑性。

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研究成果

/ ACHIEVEMENT

随着通用人工智能AIGC时代的到来，基于GPU/TPU的数据中心的规模和用电量急剧增加，降低能耗和提升电能转换效率成为系统性的挑战。根据统计，基于第三代半导体氮化镓的高效率智能供电设备，每年可为大型数据中心运营商减少超过数十亿美元的能源成本，并减少近几百万吨的二氧化碳排放量。

根据统计，基于第三代半导体氮化镓的高效率智能供电设备，每年可为大型数据中心运营商减少超过数十亿美元的能源成本，并减少近几百万吨的二氧化碳排放量。为此，课题组提出了一款应用于大功率AI数据中心的基于氮化镓的高效率智能供电转换芯片。该芯片在48V/12V的转换条件下，单相可提供至少百瓦的输出功率，多相条件下可以提供近千瓦的输出功率。并且，结合实时高精度温度检测、全波形电流检测、以及温度补偿和自适应斜率拟合方案，该芯片在全温度范围内可生成精确的双向电流检测信号，实现大功率、高转换效率以及多重保护来实现数据中心供电系统的稳定性和工业可靠性。

文章信息

标题：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