響應市場需求，以可靠的碳化矽基固態變壓器為 AI 人工智慧賦能

英偉達在 2025 年 Computex 上宣佈的 800V 高電壓直流架構——從根本上改變了人工智慧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，顯著減少了佈線要求，為額外 GPU 騰出機架空間，並實現了新興的 1MW 機架設計。 該架構可將端到端電源效率提升高達5%，並將維護成本降低70%。 碳化矽是關鍵賦能技術：800V直流母線需要 1200V 碳化矽 MOSFET 用於 AC-DC 整流和 DC-DC 轉換，可將轉換損耗降低 25-40%。

然而，實現這一願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% 的計劃內數據中心專案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 AI 人工智慧數據中心的建設週期對於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採購和安裝週期。 中電壓變壓器的可獲性正成為 AI 人工智慧數據中心擴張的主要制約因素之一，其交貨期長達 3 年 ³。

解決方案在於 SST 固態變壓器 — 一種基於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 800V 直流電，從而極大地壓縮部署時間線，並實現模組化、可擴展的電網互聯。

碳化矽再次成為賦能技術：中高電壓碳化矽器件是加速 SST 固態變壓器發展的關鍵半導體突破，它能夠實現傳統矽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，碳化矽在 AI 人工智慧數據中心革命中的作用遠不止於機架內部——它對於從電網到 GPU 的整個電力傳輸鏈都至關重要

並網的再生能源正被更多地用於當今數據中心的電力基礎設施。 但隨著功耗水準增加，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 SST 固態變壓器可能是 AI 人工智慧領域的「白馬」。

為什麼變壓器很重要？

傳統變壓器很常見，其根本目的是升降交流輸入電壓，並將電力從 A 點傳輸到 B 點。 它們可能非常龐大，儘管性質相對簡單，包含沉重的銅繞組和磁芯以「變壓」到合適的輸出電壓。 電子製造商正在重新構想變壓器概念，轉向 SST 固態變壓器，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，SST 固態變壓器能更快地響應變化需求，並智慧地調整其功率流和輸出。 早期的 SST 固態變壓器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 SST 固態變壓器能夠滿足未來 800V 直流機架架構將帶來的可變功率範圍，它本身就很有價值。 但高功率密度的 SST 固態變壓器為數據中心 OEM 原始設備製造商帶來了巨大價值，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 AI 人工智慧園區極其寶貴的地面空間。 一些製造商正在尋找獨特的方法，將更智慧的保護和控制演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。

在採購傳統變壓器面臨商業挑戰的同時，SST 固態變壓器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。

通過中高電壓碳化矽器件實現可靠 SST 固態變壓器的兩種途徑

AI 人工智慧數據中心的電源輸入通常連接到 13.8 - 35 kV 交流電等級。 SST 固態變壓器將高電壓交流輸入轉換為連接到電腦架的800 V直流輸出。 圖3展示了一個典型 SST 固態變壓器架構的簡化構建模組，該模組由多個基於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。

Wolfspeed 一直在與領先的 SST 固態變壓器製造商合作，以了解他們的核心限制。 Wolfspeed的中電壓到高電壓裸晶片和模組產品群組正在擴大，提供碳化矽選項，使得能夠可擴展地採用碳化矽，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 總結了基於中電壓和高電壓碳化矽的 SST 固態變壓器設計之間的一些權衡。

好消息是，幾種碳化矽技術節點現已可集成到設計中，為各種 SST 固態變壓器架構提供了靈活的路徑。 對於優先考慮基於中電壓器件的 SST 固態變壓器的設計人員來說，WolfPACK™ 功率模組優異的開關性能有助於減小無源器件尺寸，並且與 2 kV 器件相比，該元件具有 15% 的更高電壓裕量，為系統設計人員提供了為完整 1500V 直流母線供電的靈活性。

但回到我之前關於電源可靠性的觀點，因此每個中電壓 Wolfspeed 模組的設計都考慮到了耐久性。 這些 WolfPACK 模組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。

通往基於高電壓直流單元的 SST 固態變壓器的清晰路徑

對於高電壓（>5 kV 阻斷電壓）設計，SST 固態變壓器設計人員可以通過採用 Wolfspeed 的新型 10 kV 碳化矽功率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，與傳統的基於高壓矽 IGBT 的設計相比，這可以使熱冷卻系統體積減少 50%。 SST 固態變壓器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，SST 固態變壓器功率級通常針對高於 10,000 Hz 的開關頻率。 傳統的 6500 V 矽 IGBT 具有高開關損耗，通常僅限於幾百赫茲的開關，這使得基於矽 IGBT 的高電壓直流單元 SST 固態變壓器不切實際。 相比之下，Wolfspeed 10 kV 碳化矽 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 SST 固態變壓器成為可能。

雙極型退化是高電壓碳化矽器件長期運行後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矽器件，其通過體二極體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 6000V 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 SST 固態變壓器在整個使用壽命期間更少的單點故障。 雖然對於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，並且已經展示 >5kV 碳化矽功率器件近 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迴圈，併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「高電壓碳化矽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於 Wolfspeed 的 10 kV 碳化矽 MOSFET。 中高電壓碳化矽長期以來一直是 Wolfspeed 擅長的領域！

我們從這裡走向何方？

如果 SST 固態變壓器是答案（我相信是的），那麼要實現更快的推向市場的速度，需要的就不僅僅是碳化矽 MOSFET 製造商的推動。 SST 固態變壓器設計並非易事，而且關鍵部件在正確的電壓等級上並不廣泛可用，這可能需要 SST 固態變壓器供應商進行定製開發，並使得多供應商採購成為挑戰。

考慮到 SST 固態變壓器處理的功率，安全性至關重要。 必須精心設計保護方案，並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。

雖然適用於額定電壓 3.3 kV 及以下的碳化矽器件的柵極驅動器在市場上可以買到，但適用於高電壓碳化矽的相容柵極驅動器卻非常稀缺。 與高電壓碳化矽器件相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 SST 固態變壓器供應商身上。 我確信，通過合適的合作夥伴關係，碳化矽 MOSFET集成器件製造商能夠提供 SST 固態變壓器所需的性能，但我們需要來自各類電子製造商的集體推動來填補這些空白。

電源和無源電子製造商或許正面臨一個不可多得的機遇，來塑造像 AI 人工智慧這樣改變生活的技術部署的步伐和程度。 對於其他供應商，我衷心期望，通過大家的齊心協力，提供對於為更可靠的 AI 人工智慧基礎設施供電至關重要的元件。

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