36亿/年？碳化硅在800V数据中心的新机遇

前段时间，英伟达宣布将推动数据中心供电架构迈入800V高压直流（HVDC）新纪元。这一战略转变打破了传统机架电源系统的藩篱，同时将为碳化硅功率器件提供一个新的增量赛道。

据预测，碳化硅器件在800V数据中心的需求将超过10亿美元/年，仅固态变压器（SST）环节的需求就达到5亿美元大关（约合35.9亿人民币）。

然而，碳化硅器件进军固态变压器市场将面临大考，在800V数据中心电源架构的大幅度渗透仍需跨越两座大山，本文将展开深入的探讨和分析。

英伟达开启800V HVDC

碳化硅新增30亿级新赛道

5月20日，英伟达公布了一项具有里程碑意义的决策：“从2027年开始，英伟达将率先向800V HVDC 数据中心电力基础设施过渡。”

当天，英伟达还宣布已经与英飞凌、英诺赛科、安森美、纳微、罗姆、意法、德州仪器等碳化硅/氮化镓企业达成了合作，正式拉开这次轰轰烈烈的数据中心电源架构“二次革命”。

相较于现有的12V和48V架构，英伟达的800V HVDC系统最大的不同在于采用固态变压器（SST）替代传统工频变压器，实现了13.8kV交流向800V直流的转换，然后用高压DC-DC转换器取代服务器电源PSU，省去大部分中间转换步骤，最大限度地减少了电能损失和用铜量，在系统能效提升5%的同时，还可以将系统总拥有成本降低30%。

数据中心48V架构与800V架构对比，来源：纳微半导体

其中，在固态变压器环节，高频、高效率的碳化硅器件将成为供需。据田纳西大学论文分析，相较于6.5kV的硅基IGBT模块，10kV的碳化硅MOSFET模块的开关能耗降低了20倍以上。

固态变压器的硅基模块与碳化硅模块开关能耗对比，来源：田纳西大学

为此，不少碳化硅企业预计到2030年，800V数据中心的固态变压器环节将为碳化硅器件创造约5亿美元/年的市场机会。与此同时，基于碳化硅的固态变压器还将在充电站、微电网等众多领域实现应用，据英国CSA Catapult推测，预计到2030年，固态变压器市场将以两位数的复合年增长率(CAGR)增长，仅英国就有超过50万座变电站有望采用碳化硅固态变压器进行升级。

据了解，目前已有部分头部厂商已经为施耐德、伊顿、维谛技术等大型电力系统集成商交付相关碳化硅器件产品，预计2026年将出现首批导入碳化硅器件固态变压器厂商，更多厂商的碳化硅固态变压器将在2027年实现量产。

碳化硅在800V数据中心电源架构的应用及需求规模

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进军固态变压器

碳化硅面临两大挑战

固态变压器内部常见的架构为级联H桥，其前端AC-DC变换器通常采用2300-6500V的碳化硅器件，后端DC-DC侧则可采用1200-2300kV的碳化硅器件。

固态变压器拓扑结构及碳化硅器件耐压等级要求

一般而言，器件耐压越高，固态变压器的功率器件用量就越少，从而越有助于固态变压器技术加速进入商业化和规模化。以60KW固态变压器的DC/DC变换器为例，根据英飞凌的测算，如果采用2000V SiC MOSFET替代1200V SiC MOSFET，SiC器件数量可从96个减小为48个，减少近50%，且系统的损耗、成本、体积等都会得到改善。

现阶段，碳化硅进军固体变压器市场首先会面临缺少3300-6500V中高压碳化硅器件的问题。据“行家说三代半”了解，现阶段头部厂商的碳化硅MOSFET商用器件耐压通常在650V-2300V左右，仅有少数企业实现了3300V碳化硅MOSFET器件的量产商用，6500V碳化硅MOSFET器件则更是凤毛麟角。同时，中高压碳化硅MOSFET的性能、可靠性和可制造性也有待进一步的验证。

此外，固态变压器采用碳化硅器件还将面临第二个技术挑战——信号隔离。

众所周知，不同电压等级的碳化硅模块的耐压隔离要求是不同的。北卡罗来纳州立大学研究表示，兆伏级（MV）固态变压器中的3300V-15kV SiC器件目前尚无标准的栅极驱动器，这是由于高频、高压碳化硅器件对栅极驱动器提出了严格的要求——需要更高隔离电压等级和高dv/dt稳定性。

功率器件信号隔离电路示意图，来源：德州仪器

首先，根据安规标准，隔离芯片的最高瞬时耐压通常要求达到开关器件耐压的3-5倍，这意味着3300V-6500V的隔离芯片的安全耐压需达到10kV以上，10kV的SiC MOSFET栅极驱动器的隔离电压要超过20kV以上。

其次，多项研究显示，在3000V耐压等级，SiC MOSFET的关断dv/dt是硅基IGBT的26倍左右；而7000V碳化硅的关断dv/dt达到了70.1V/ns，约为3500V硅基IGBT的56倍左右。而10kV SiC MOSFET的导通dv/dt可以达到100V/ns。因此隔离芯片亟需提高共模瞬态抗扰度（CMTI）性能。

中高压硅基IGBT与碳化硅MOSFET的dv/dt，对比来源：田纳西大学

根据量产时间来看，目前市面上已经出现了三代（类）隔离芯片技术，分别是光耦隔离、磁耦隔离和容耦隔离。

不同的隔离芯片技术及耐压等级

据了解，现有的标准隔离芯片或者栅极驱动器IC可能不适合为3300V-10kV SiC器件提供良好的电气隔离功能。这是由于隔离芯片的耐压等级很大程度上与它们所采用的绝缘材料息息相关。

不同的隔离芯片技术所采用的绝缘材料介电强度

光耦隔离

光耦隔离通常采用的是LED和感光元件，为了保证透光，其中间层通常为空气或者硅胶，因此耐压能力通常被限制在3000V左右。为此，通常3300V以上的功率模块需要采用光纤隔离技术，光纤通常是由玻璃/塑料制成，理论隔离耐压＞40kV，但是光纤隔离驱动电路的驱动电路复杂，成本较高，而且光纤仍然存在传输延迟，容易老化和需要提供高压隔离电源等问题。

磁耦隔离

磁耦隔离主要是通过线圈的电磁感应来实现信号传输，其耐压性能取决于线圈之间的绝缘材料，通常采用聚酰亚胺（PI）材料，其介电强度约为300V/μm，其耐压等级通常为5-7kV左右。

容耦隔离

该技术通过PVD工艺沉积不同的电容与绝缘层，然后利用电容来传输电路信号，其绝缘能力取决于沉积的二氧化硅（SiO2）厚度。容耦隔离芯片要实现高耐压需要沉积多层SiO2，受限于工艺，SiO2厚度提升有限，实现10kV级耐压需要付出巨大的成本。

总体来看，无论是光耦隔离，还是磁耦隔离或容耦隔离，都无法同时满足面临中高压碳化硅器件的高耐压、高频率的隔离需求，亟待开发基于新型材料和架构的高性能隔离解决方案。

据“行家说三代半”调研了解，国内厂商已经创新研发出了第四代(类)新型隔离芯片技术，其在耐压等级，CMTI、传输速率和低延时等方面都具有突破性优势，能够充分满足中高压碳化硅器件在固态变压器等领域的应用需求。

据了解，这项第四代（类）新型隔离芯片技术将在今年量产交付，接下来行家说将密切关注，将在第一时间为大家带来更详细的技术介绍和分析。

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本文发自【行家说三代半】，专注第三代半导体（碳化硅和氮化镓）行业观察。

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