AI数据中心SST，GaN与SiC的路线之争

AI数据中心800V架构在这几年逐渐火热，SST（Solid-State Transformer，固态变压器）开始引发行业关注。

SST希望通过功率半导体、高频变压器和数字控制，实现中压交流电与直流母线之间的转换。与传统工频变压器相比，它有机会整合部分电力转换环节，并提供更灵活的电压调节、功率流控制和系统监测能力。

对芯片厂商来说，SST是一个拓宽市场的好机会。不过，SST究竟应该采用什么样的功率半导体，行业还没有形成统一答案。这其中，GaN和SiC这类第三代半导体尤为重要。这两条路线将会如何竞争？EEWorld今天盘点一下当下的最新趋势。

本文是SST固态变压器系列的第三篇文章。

SST仍然是一项处于发展早期的技术，主要针对目前连接13.8kV和34.5kV中压（MV）电网与计算机架的两个重要环节：工频变压器（LFT）和侧柜（Sidecar Rack）。SST能够将电网电力直接转换为800V低压直流电（LV 800VDC）。

大多数SST制造商倾向于采用数量较少、单模块功率较高的设计，基本思路是模块数量越少，系统复杂度就越低，而且多数倾向于SiC）。

一家以微型逆变器闻名的美国公司Enphase，思路和业界完全不一样。通过大规模使用GaN BDS（Bidirectional Switch，单片双向开关）器件实现分布式电力转换。每个功率模块还采用Enphase第五代Kestrel ASIC。这是一款采用22nm工艺的定制控制芯片，最早应用于IQ9微型逆变器。

今年9月8日，Enphase宣布已在美国得克萨斯州开始制造IQ SST功率模块，准备组装和验证完整的SST机柜。当时公布的模块额定功率为4kW，计划通过数百个模块组成最高5MW的SST系统。每个1.25MW SST机柜由342个智能4kW功率模块组成，采用协调运行的串并联三角形连接架构。

一个多月后，10月27日，Enphase宣布完成13.8kV AC至800V DC的实验室演示。这套系统采用132个功率模块，三相系统中每相串联44个模块。新公告中的模块额定功率达到5.5kW，每个模块都结合了氮化镓（GaN）电源开关、Enphase第五代KestrelASIC以及Enphase内部磁学团队开发的专有高频

在这一成果的基础上，Enphase计划利用模块化架构的可扩展性，在未来几周内将演示系统的输入电压提升至34.5kV。公司预计在2026年底前，完成兆瓦级、额定功率运行的完整IQ SST机柜系统演示，并计划于2027年启动客户试点项目。

更值得关注的是，Enphase采用的GaN器件还在向更高耐压发展。

10月26日，就在Enphase公布132模块演示的前一天，Enphase联合宣布，正在将全球首款900V CoolGaNBDS用于Enphase的SST功率模块。

英飞凌与Enphase此前已经在650V GaN BDS上开展合作，并将相关技术用于Enphase IQ9微型逆变器。此次提高到900V，可以为功率模块提供更大的耐压设计空间。

按照Enphase的解释，更高耐压的GaN器件有助于减少中压SST所需的串联变换单元数量，同时保留高频开关带来的磁性器件小型化优势。

首先，我们要理解，为什么必须要在SST中用GaN BDS？因为利用双向氮化镓，Enphase可实现单级隔离式AC/DC功率变换架构，将传统两级式SST中分别由AFE和隔离DC/DC完成的功能整合到同一个功率变换级，从中压交流输入直接获得800V直流输出。

BDS到底是啥？BDS是一种近乎理想的半导体开关：它不仅能在两个方向上实现阻断，还配备了两个栅极，可以非常精准地分别控制每个通道的通断，实现对两种极性电压和两个方向电流的控制，因此非常适用于多种拓扑结构。

BDS也不再只是控制“开”“关”两种状态，而是控制四种不同状态：导通（两个栅极均导通）、关断（两个栅极均关断）、正向阻断（栅极1导通、栅极2关断，电流方向：漏极→源极）以及反向阻断（栅极2导通、栅极1关断，电流方向：源极→漏极）。正因如此，业界也会把BDS叫“四象限开关”（FQS）。如下图，这是英飞凌对于BDS四中状态的解析： 

GaN BDS的概念源于将两个背靠背的单向GaN HEMT进行单片集成，两只单向GaN HEMT在共漏极结构中的单片集成，其中每个HEMT的反向漂移区被合并为一个整体。

传统GaN HEMT通常采用横向结构，GaN外延层生长在硅衬底上。为了避免衬底电位影响沟道工作，单向GaN器件可以直接将衬底连接至源极。但BDS有两个源极端子，两个端子的电位可能不断变化。

GaN BDS利用GaN HEMT的横向结构，在单颗芯片内实现双向开关功能，并共用耐压区域。Enphase在白皮书中估算，在相同总导通电阻条件下，单片GaN BDS相比两颗反向串联的普通GaN HEMT，芯片面积最多可减少约75%，相当于4倍的面积优势。与背靠背硅MOSFET方案相比，芯片面积优势可达到约10倍。

除了面积，GaN BDS还具有较低的栅极电荷。根据Enphase的比较，在特定器件条件下，GaN BDS的栅极电荷约为背靠背硅MOSFET方案的二十分之一，有利于降低高频开关时的驱动损耗，并减小变压器、电感等磁性元件的体积。

在可靠性方面，Enphase还强调了GaN的瞬态过压能力和抗单粒子烧毁（SEB）性能。其650V GaN BDS具有800V瞬态浪涌额定值。部分GaN器件在宇宙射线引发的单粒子烧毁测试中，表现优于所比较的SiC和硅MOSFET。不过，这些结果取决于具体器件及测试条件，不能直接推广至所有GaN和SiC产品。

不过，GaN BDS的设计也更加复杂。其中一个难点是衬底电位管理。传统GaN HEMT可以将衬底连接至源极，而BDS两端的电位会随工作状态变化，因此需要动态调整衬底连接，避免背栅效应影响器件的关断能力和动态性能。Enphase通过集成衬底管理电路来解决这一问题。

为什么SST中的GaN需要从650V升级到900V？这主要与SST功率模块对电压承受能力的要求有关。

现有650V GaN BDS主要适用于240V RMS等较低交流输入电压的应用，而Enphase的SST功率模块需要承受最高335V RMS的交流电压，较240V提高约40%。按照正弦交流电压计算，335V RMS对应的峰值电压约为474V。如果进一步考虑电网波动、开关瞬态过电压以及器件耐压裕量，650V器件的设计空间便会受到限制。

因此，Enphase选择将GaN BDS的额定耐压提升至900V，并计划将其瞬态浪涌耐受能力提高至1.1kV，以满足SST对更高电压和可靠性的要求。

对于GaN与SiC的技术分工，Enphase有自己的判断：SiC MOSFET更适合高电压、大功率的工业驱动、电网及交通电气化应用，而GaN HEMT则在单个功率单元容量相对较小、开关频率较高的电能转换系统中更具优势。

有一个有意思的现象：英飞凌一边与Enphase合作开发900V GaN SST，一边与伊顿合作推进SiC SST。今年9月，伊顿公布的800VDC中压SST 2.0平台已经采用英飞凌1200V Easy SiC功率模块。双方还计划探索使用2.3kV和3.3kV SiC模块的新一代平台。

同一家半导体厂商，同时支持GaN和SiC两种技术路线，反映出SST市场尚未形成固定的器件选择。

从SiC阵营这边来看，厂商都在推动更高耐压的3.3kV SiC器件进入SST。

Wolfspeed于5月21日发布两类3.3kV SiC功率模块。其中，采用无底板设计的全桥WolfPACK模块，专门面向SST及模块化新能源基础设施。Wolfspeed强调，这款模块可以用于多电平、串联和并联功率转换架构，并针对全天候连续运行的基础设施需求改进了封装可靠性。

新模块采用烧结芯片连接和环氧封装，以改善功率循环能力。Wolfspeed还提到第四代SiC技术在宇宙射线相关失效率方面的改进。这些特性与AI数据中心的需求有关。SST一旦进入数据中心主供电链路，就必须考虑长期连续运行、功率循环、过压应力和维护时间等问题。 

Wolfspeed还披露了与SST厂商Amperesand的合作案例。Amperesand正在开发面向AI数据中心的6MW以上中压SST，使用Wolfspeed的3.3kV WolfPACK模块。根据双方披露的信息，采用更高耐压SiC后，Amperesand能够减少部分功率级数量，同时保留模块冗余与维护能力。

今年5月26日，Microchip推出3.3kV HV-D3 mSiC功率模块，明确将AI数据中心SST列为目标应用。这款产品采用标准62mm封装，集成SiC MOSFET及肖特基二极管，面向中高压功率转换。与较低耐压的功率模块相比，3.3kV器件能够在满足电压裕量要求的前提下减少串联单元数量。

从这些动态来看，SiC厂商的思路比较清晰：通过提高器件耐压，减少中压功率转换所需的串联单元，并在封装、热管理和可靠性方面持续改进。

但高压SiC也有自己的代价。在相同器件技术条件下，提高阻断电压通常需要更厚、掺杂浓度更低的漂移区，给导通电阻和芯片面积带来压力。更高耐压器件的开关损耗、驱动要求和成本，也需要与减少功率单元带来的收益一起衡量。因此，3.3kV SiC不一定在所有SST应用中都比1.2kV器件更划算，更不能仅凭耐压高低判断系统效率。

所以，在SST中各级，会采用不同耐压的SiC。比如，英飞凌的方案中，AFE（Active front end）通常采用CHB或MMC等多电平拓扑，并使用2300V、3300V高压SiC模块；隔离DC-DC级则可采用DAB等高频拓扑，根据电压等级选择750V、1200V、2300V或3300V模块。旁路、OR-ing和eFuse等环节，也可以使用SiC MOSFET承担高压开关和故障保护。

从2026年的产业动态来看，SST正在吸引越来越多功率半导体厂商参与。未来几年，GaN与SiC很可能在SST市场长期并存。不同电网电压、系统功率和成本目标，会对应不同的器件选择。

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