響應市場需求：

以可靠的碳化硅基固態變壓器為 AI 人工智能賦能

作者：Ashish Kumar 博士，Wolfspeed 中高電壓研究科學家

英偉達在 2025 年 Computex 上宣布的 800 V 高電壓直流架構 — 從根本上改變了人工智能工廠的電力傳輸方式，直接提升了 GPU 密度和效率[1]。通過以更高電壓分配電力，顯著減少了布線要求，為額外 GPU 騰出機架空間，并實現了新興的 1 MW 機架設計。該架構可將端到端電源效率提升高達 5%，并將維護成本降低 70%。碳化硅是關鍵賦能技術：800 V 直流母線需要 1200 V 碳化硅 MOSFET 用于 AC-DC 整流和 DC-DC 轉換，可將轉換損耗降低 25-40%。

圖 1：英偉達下一代人工智能 (AI) 數據中心中的

800 V 直流配電架構 [1]

然而，實現這一愿景需要解決一個上游問題。在圖 2 中，國際能源署 (IEA) 警告稱，大約 20% 的計劃內數據中心項目因電網限制和傳統變壓器供應鏈瓶頸而面臨延期風險[2]。縮短人工智能 (AI) 數據中心的建設周期對于減輕此風險至關重要。加速的全球部署正在延長連接數據中心設施與公用事業電網的中電壓變壓器的采購和安裝周期。中電壓變壓器的可獲性正成為人工智能 (AI) 數據中心擴張的主要制約因素之一，其交貨期長達 3 年[3]。

圖 2：面臨并網延遲的數據中心建設項目吉瓦時數 [2]

解決方案在于固態變壓器 (SST) — 一種基于電力電子的替代傳統鐵芯變壓器的方案，它可以將中電壓電網電力直接轉換為 800 V 直流電，從而極大地壓縮部署時間線，并實現模塊化、可擴展的電網互聯。

碳化硅再次成為賦能技術：中高電壓碳化硅器件是加速固態變壓器 (SST) 發展的關鍵半導體突破，它能夠實現傳統硅材料無法達到的更高開關頻率、更優熱性能和緊湊外形。由此看來，碳化硅在人工智能 (AI) 數據中心革命中的作用遠不止于機架內部 — 它對于從電網到 GPU 的整個電力傳輸鏈都至關重要。

并網的可再生能源正被更多地用于當今數據中心的電力基礎設施。但隨著功耗水平增加，以及超大規模企業接入更大規模電網—或創建自己的微電網—確保功率轉換在快速變化的負載曲線下保持穩定且可靠是一個亟待攻克的工程障礙。

簡而言之，電力可獲性至關重要，而固態變壓器 (SST) 可能是人工智能 (AI) 領域的“白馬”。

為什么變壓器很重要？

傳統變壓器很常見，其根本目的是升降交流輸入電壓，并將電力從 A 點傳輸到 B 點。它們可能非常龐大，盡管性質相對簡單，包含沉重的銅繞組和磁芯以“變壓”到合適的輸出電壓。電子制造商正在重新構想變壓器概念，轉向固態變壓器 (SST)，用輕量級的固態半導體器件取代沉重的銅線圈。與傳統變壓器不同，固態變壓器 (SST) 能更快地響應變化需求，并智能地調整其功率流和輸出。早期的固態變壓器 (SST) 概念可能會整合傳統上由開關設備和 UPS / 電池系統提供的功能，使直流計算負載能夠直接從公用電網或替代電源獲得電力。

至少，如果固態變壓器 (SST) 能夠滿足未來 800 V 直流機架架構將帶來的可變功率范圍，它本身就很有價值。但高功率密度的固態變壓器 (SST) 為數據中心原始設備制造商 (OEM) 帶來了巨大價值，他們正試圖在不犧牲供電正常運行時間的情況下，充分利用人工智能 (AI) 園區極其寶貴的地面空間。一些制造商正在尋找獨特的方法，將更智能的保護和控制算法與穩健的隔離相結合，以實現預測性維護，旨在避免任何電力停機。

在采購傳統變壓器面臨商業挑戰的同時，固態變壓器 (SST) 的試點部署正在進行中。數據顯示，到 2025 年，數據中心的擴建和啟動可能導致長達數年的交貨期和近 30% 的必要變壓器短缺[4]。

通過中高電壓碳化硅器件實現可靠固態變壓器 (SST) 的兩種途徑

人工智能 (AI) 數據中心的電源輸入通常連接到 13.8 - 35 kV 交流電等級。固態變壓器 (SST) 將高電壓交流輸入轉換為連接到計算機架的 800 V 直流輸出。圖 3 展示了一個典型固態變壓器 (SST) 架構的簡化構建模塊，該模塊由多個基于單元直流母線和功率器件電壓等級的級聯轉換器單元組成。

圖 3：由多個級聯單元組成的典型固態變壓器 (SST) 架構

Wolfspeed 一直在與領先的固態變壓器 (SST) 制造商合作，以了解他們的核心限制。Wolfspeed 的中電壓到高電壓裸芯片和模塊產品組合正在擴大，提供碳化硅選項，使得能夠可擴展地采用碳化硅，從而實現比傳統解決方案高出數倍的功率密度。下面的表 1 總結了基于中電壓和高電壓碳化硅的固態變壓器 (SST) 設計之間的一些權衡。

表 1：使用中電壓和高電壓額定碳化硅器件設計的固態變壓器 (SST) 之間的關鍵細微差別

好消息是，幾種碳化硅技術節點現已可集成到設計中，為各種固態變壓器 (SST) 架構提供了靈活的路徑。對于優先考慮基于中電壓器件的固態變壓器 (SST) 的設計人員來說，WolfPACK功率模塊優異的開關性能有助于減小無源器件尺寸，并且與 2 kV 器件相比，該器件具有 15% 的更高電壓裕量，為系統設計人員提供了為完整 1500 V 直流母線供電的靈活性。

但回到我之前關于電源可靠性的觀點，因此每個中電壓 Wolfspeed 模塊的設計都考慮到了耐久性。這些 WolfPACK 模塊因其極低的宇宙射線失效率性能，能在各種海拔高度下提供可預測的性能。

圖 4：CAB5R0A23GM4T 2300 V、5 m?半橋模塊，可選預涂導熱界面材料

通往基于高電壓直流單元的固態變壓器 (SST) 的清晰路徑

對于高電壓（>5 kV 阻斷電壓）設計，固態變壓器 (SST) 設計人員可以通過采用 Wolfspeed 的新型10 kV 碳化硅功率 MOSFET實現更簡單的單元架構。CPM3-10000-0300A 實現了 99% 的卓越轉換效率，與傳統的基于高壓硅 IGBT 的設計相比，這可以使熱冷卻系統體積減少 50%。固態變壓器 (SST) 中更高的開關頻率直接減小了磁性元件的尺寸和重量，因為所需的磁線圈和磁芯尺寸隨頻率增加而減小。為了保持磁性元件緊湊，固態變壓器 (SST) 功率級通常針對高于 10,000 Hz 的開關頻率。傳統的 6500 V 硅 IGBT 具有高開關損耗，通常僅限于幾百赫茲的開關，這使得基于硅 IGBT 的高電壓直流單元固態變壓器 (SST) 不切實際。相比之下，Wolfspeed 10 kV 碳化硅 MOSFET 可以在10,000 Hz以上運行，具有顯著更低的開關損耗和更快的開關速度，使得緊湊、輕量化的固態變壓器 (SST) 成為可能。

圖 5：CMP3-10000-0300A 10,000 V, 305 mW 碳化硅 MOSFET 裸芯片

雙極型退化是高電壓碳化硅器件長期運行后失效的主要原因之一。Wolfspeed 10 kV MOSFET 也是其同類產品中首個商業化碳化硅器件，其通過體二極管工作壽命測試驗證了雙極穩定性，在超過 1000 小時的測試中未出現雙極退化。此外，CPM3-10000-0300A 在典型的 6000 V 直流工作條件下，其宇宙射線失效率要求比行業標準優異 4 倍，確保了固態變壓器 (SST) 在整個使用壽命期間更少的單點故障。雖然對于一個新的技術節點來說，這些說法可能聽起來很大膽，但請允許我解釋為何可以相信這些數據。Wolfspeed 在寬禁帶材料開發方面有著悠久的歷史，并且已經展示 > 5 kV 碳化硅功率器件近 20 年。作為我們中高電壓部門的一名研究科學家，我感覺自己完成了一個循環，并為這項我曾以多種身份親身參與的技術感到自豪。2021 年，我發表了題為“高電壓碳化硅功率器件在中電壓功率變換器應用中的研究”的博士論文。我的大部分博士研究都是基于 Wolfspeed 的 10 kV 碳化硅 MOSFET。中高電壓碳化硅長期以來一直是 Wolfspeed 擅長的領域！

我們從這里走向何方？

如果固態變壓器 (SST) 是答案（我相信是的），那么要實現更快的推向市場的速度，需要的就不僅僅是碳化硅 MOSFET 制造商的推動。固態變壓器 (SST) 設計并非易事，而且關鍵部件在正確的電壓等級上并不廣泛可用，這可能需要固態變壓器 (SST) 供應商進行定制開發，并使得多供應商采購成為挑戰。

考慮到固態變壓器 (SST) 處理的功率，安全性至關重要。必須精心設計保護方案，并且高電壓節點需要毫秒級的直流故障清除能力。公用事業客戶僅將轉換器效率作為目標基準的日子已經一去不復返了。效率是入場券—但安全性和耐久性才是差異化因素。

雖然適用于額定電壓 3.3 kV 及以下的碳化硅器件的柵極驅動器在市場上可以買到，但適用于高電壓碳化硅的兼容柵極驅動器卻非常稀缺。與高電壓碳化硅器件兼容的中頻磁性元件和絕緣系統也尚未商品化，這使得器件設計的責任落在了固態變壓器 (SST) 供應商身上。我確信，通過合適的合作伙伴關系，碳化硅 MOSFET 集成器件制造商能夠提供固態變壓器 (SST) 所需的性能，但我們需要來自各類電子制造商的集體推動來填補這些空白。

電源和無源電子制造商或許正面臨一個不可多得的機遇，來塑造像人工智能 (AI) 這樣改變生活的技術部署的步伐和程度。對于其他供應商，我衷心期望，通過大家的齊心協力，提供對于為更可靠的人工智能 (AI) 基礎設施供電至關重要的組件。

來源：

[1] NVIDIA: Building the 800 VDC Ecosystem for Efficient, Scalable AI Factories

[2] IEA: AI and energy security report

[3] Northfield Transformers: Preparing for the Next Surge: How Data Center Expansion is Reshaping Transformer Demand

[4] Transformer Magazine: U.S. faces 30% transformer shortfall in 2025

目前已推出的適合固態變壓器 (SST) 應用的 Wolfspeed WolfPACK 功率模塊產品包括：

CAB5R0A23GM4：2300 V、5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板)

CAB5R0A23GM4T：2300 V、5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板) 、預涂導熱界面材料

CAB6R0A23GM4：2300 V、6 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板)

CAB6R0A23GM4T：2300 V、6 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板) 、預涂導熱界面材料

CAB7R5A23GM4：2300 V、7.5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板)

CAB7R5A23GM4T：2300 V、7.5 mΩ、GM 封裝、半橋 (AlN 基板) 、預涂導熱界面材料

關于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內推動碳化硅技術采用方面處于市場領先地位，這些碳化硅技術為全球最具顛覆性的創新成果提供了動力支持。作為碳化硅領域的引領者和全球最先進半導體技術的創新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過面向各種應用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產品，助您實現夢想，成就非凡 (The Power to Make It Real)。