AI电源HVDC_SiC GaN功率器件衬底_800V直流架构

方案介绍

单台 AI 训练机柜的功耗已从传统数据中心的 5–10kW 跃升至 100kW 以上，部分整柜方案规划达到 500kW 甚至 MW 级。在铜排截面、线缆损耗和转换级数的硬约束下，沿用传统 12V/48V 低压母线已难以为继，行业开始转向 HVDC（高压直流）架构：市电整流后直接以 400V/800V 直流母线送入机柜，柜内再做一到两级降压。

更少的转换级数：减少 AC/DC、DC/DC 级数，每一级效率提升 1% 都意味着可观的电费与散热成本节省。
更高的母线电压：800V 直流母线下，PFC、LLC、固态变压器（SST）等拓扑对功率器件的耐压、开关频率、导通损耗提出全新要求。
宽禁带器件上位：硅基 IGBT/SJ-MOSFET 在高压高频场景触顶，SiC MOSFET（650V–3300V）与 GaN HEMT（100V–900V）成为 AI 服务器电源、机柜电源架（Power Shelf）与 HVDC 柜的主力选型。

器件方向确定后，衬底的缺陷密度（BPD/TSD/EPD）、电阻率均匀性与几何参数直接影响良率。规格详见 SiC / GaN 衬底产品页，车规与光伏等更广泛场景的选型见功率电子应用页。

HVDC 高压直流架构，把供电效率的竞争推回到宽禁带衬底

应用场景

SiC / GaN 衬底与配套工艺，服务于以下六类场景。

AI 机柜供电

800V 直流母线进入机柜，原边 SiC、副边 GaN 协同提升整柜供电效率。

服务器电源（PSU）

图腾柱 PFC 与 LLC 拓扑依托 SiC / GaN，实现更高功率密度与效率。

固态变压器（SST）

10kV 级中压直挂场景使用 3300V 以上 SiC MOSFET 与模块。

新能源汽车

主驱逆变器与车载充电器（OBC）采用 SiC 与 GaN 器件。

光伏与储能

组串逆变器与储能变流器用 SiC 提升转换效率与功率密度。

科研与原型

测试级 SiC 衬底与 GaN 外延片，支持器件结构验证与研究。

能力介绍

围绕 SiC / GaN 衬底与外延，以及器件流片前后道的配套工艺能力。

宽禁带衬底尺寸与减薄、背金工艺，决定器件的良率与成本

4H-SiC 衬底

导电型与半绝缘两条路线，覆盖 650V–3300V 高压器件与射频隔离器件。

SiC / GaN 外延

SiC 外延厚度 1–50μm；GaN-on-Si 与 GaN-on-SiC 外延片按器件结构定制。

减薄与背面金属化

SiC 减薄至 180μm 级并完成背金，形成欧姆接触与散热通路。

检测与量测

XRD 摇摆曲线、缺陷密度、电阻率与几何参数随片检测。

给电源研发团队的三点建议

先定拓扑再定衬底：PFC 用图腾柱还是 Vienna、原边选 SiC 还是 GaN，决定了衬底耐压与尺寸需求，欢迎带着拓扑方案来选型。
研发期用 Test 级打样：结构验证阶段可选用价格更优的测试级 SiC 衬底与 GaN 外延片，定型后再切 Prime 级，显著压缩打样成本。
工艺与衬底一起打包：衬底 + 减薄 + 背金 + 检测一站完成，减少跨厂周转造成的破片与交期损失。

参数规格

电源环节选型、衬底能力清单与材料关键参数，一屏看全。

AI 电源各环节的 SiC / GaN 选型参考

电源环节	典型电压/功率	推荐器件	衬底方案
市电侧 PFC / 整流	三相 380–480Vac，数十 kW 模块	SiC MOSFET / SiC 二极管	6 英寸 4H-SiC 导电型衬底（650–1200V 器件）
HVDC 母线变换（800V→48V/54V）	800Vdc 输入，kW 级高密度模块	SiC MOSFET（原边）+ GaN HEMT（副边）	6/8 英寸 SiC 衬底 + 6/8 英寸 GaN-on-Si
服务器板级 VRM/POL	48V→1.xV，数百 A	GaN HEMT / 低压 MOSFET	GaN-on-Si 外延片（8 英寸为主）
固态变压器（SST）/ 中压接入	10kV 级中压直挂	3300V 以上 SiC MOSFET / 模块	6 英寸 SiC 衬底（高耐压器件）

我们能供什么：SiC / GaN 衬底能力清单

衬底类型	尺寸	关键参数	典型用途
4H-SiC 导电型衬底	4 / 6 / 8 英寸	电阻率 0.015–0.030 Ω·cm，微管密度 ≤0.1 cm⁻²	SiC MOSFET、SBD 功率器件
4H-SiC 半绝缘衬底	4 / 6 英寸	电阻率 ≥1×10⁷ Ω·cm	射频与高压隔离器件
SiC 外延片	4 / 6 / 8 英寸	外延层厚度 1–50μm，掺杂 1×10¹⁵–1×10¹⁹ cm⁻³	650V–3300V 器件外延结构
GaN-on-Si 外延片	6 / 8 英寸	HEMT 结构，片厚均匀性与翘曲受控	数据中心电源、快充、OBC
GaN-on-SiC 外延片	4 / 6 英寸	半绝缘 SiC 衬底 + GaN HEMT 外延	高频/高效率电源与射频
配套工艺	—	减薄（SiC 减薄至 180μm 级）、背面金属化、XRD/缺陷检测	器件流片前后道配套

SiC / GaN 材料关键参数速览

> 30%SiC 衬底市场年复合增速

650V+SiC MOSFET 主流耐压段

6″→8″衬底尺寸过渡

< 1/cm²微管密度（优质衬底）

材料 / 参数	数值	意义
4H-SiC 带隙	3.26 eV	宽禁带，支持高温高压器件
4H-SiC 临界击穿场强	2.8 MV/cm	同电压下漂移区可更薄，导通损耗更低
4H-SiC 热导率	4.9 W/cm·K	散热能力强，适合高功率密度模块
SiC 器件能力	击穿电压 > 1.7 kV，工作温度 > 200℃	覆盖高压与高温应用
GaN-on-SiC 热导率	约 490 W/m·K（对比硅约 150 W/m·K）	高频高功率射频的热管理基础
FZ 高阻硅电阻率	> 10,000 Ω·cm	降低微波频段衬底损耗，用于 GaN RF 外延
8 英寸相对 6 英寸	可用裸片数约 1.8×	尺寸升级带来单位成本下降

材料特性决定了器件路线的天花板，衬底规格则可直接采购：导电型 / 半绝缘 SiC 衬底与外延片的分类与参数见 SiC / GaN 衬底产品页，更宽的车规与光伏场景见功率电子应用页。

设备与工艺装备

支撑 SiC / GaN 衬底、外延与器件后道配套的装备类别与通用配置。

设备类别	典型配置	用途
SiC 长晶与外延	籽晶长晶炉 + SiC 外延炉	导电型 / 半绝缘衬底与外延片
MOCVD 外延	GaN HEMT 外延反应室	GaN-on-Si / GaN-on-SiC 外延片
SiC 减薄与背金	精密研磨 / 磨削 + 背面金属化	器件薄化与欧姆接触背金
光刻与刻蚀	高温工艺兼容的图形化设备	SiC / GaN 器件结构制备
检测与量测	XRD、缺陷密度、电阻率、TTV/Warp	衬底与外延质量验证
划片前处理	激光改性划片 + 清洗	晶圆切割前处理

实际案例

以下案例均已匿名化处理，仅呈现可公开验证的工艺指标与结果。

电源研发团队 · 800V HVDC

原边 SiC、副边 GaN 的衬底配套

客户开发 800V 输入的高密度电源模块，原边选 1200V SiC、副边选 650V GaN，需要按拓扑确定衬底耐压与尺寸。

结果：按拓扑给出 SiC 与 GaN 衬底选型建议并提供样品，随片附电阻率、缺陷密度与几何检测数据。

高校 / 初创团队 · HVDC 电源研究

测试级 SiC 衬底的小批打样

团队做 HVDC 电源原型研究，预算有限，希望用测试级衬底先跑器件工艺，并需要完整的报销与检测资料。

结果：测试级 SiC 衬底一片起订、48h 发货，支持对公转账与 13% 专票，随货提供检测数据与报销资料。

功率器件团队 · 减薄与背金

SiC 晶圆的减薄背金一站式配套

客户在 SiC 器件后道需要减薄到 180μm 级并完成背面金属化，担心硬脆材料多次周转导致破片。

结果：衬底 + 减薄 + 背金 + 检测同一供应链闭环完成，SiC 减薄至 180μm 级，减少周转破片与交期损失。

常见问题

做 AI 服务器电源原型，最少可以买几片 SiC 衬底？

一片起订。6 英寸 SiC 衬底与 6/8 英寸 GaN-on-Si 外延片均有常备现货，研发打样可先买 1–2 片验证工艺，随片提供电阻率、缺陷密度与几何参数检测数据，定型后再按批量阶梯报价。

800V HVDC 场景选 SiC 还是 GaN？

原边 800V 侧开关建议选 1200V 级 SiC MOSFET（耐压裕量与短路鲁棒性更好）；副边降压与高频环节选 650V GaN HEMT（开关频率高、体积更小）。实际取决于拓扑与频率目标，可把电路参数发给工程师协助判断。

SiC 衬底太硬，减薄和背金能一起做吗？

可以。我们提供 SiC 晶圆减薄（含 Taiko 环减薄）、背面金属化（Ti/Ni/Ag 等体系）与划片前处理的一站式服务，衬底与工艺同一供应链闭环，避免多次周转破片。详见减薄工艺页。

高校或初创团队做 HVDC 电源研究有采购支持吗？

有。支持对公转账并开具 13% 增值税专用发票，随货提供送货单、检测数据与报销所需资料；一片起订、48h 发货，适合科研项目与原型验证。

SiC 从 6 英寸升级到 8 英寸，对我们选型有什么影响？

8 英寸相对 6 英寸的可用裸片数约为 1.8 倍，单位成本随之下降，是行业的既定过渡方向。对研发团队而言，关键看您所用产线设备兼容的尺寸与器件版图——我们 150mm（6 英寸）与 200mm（8 英寸）SiC 衬底都能供应，可先按现有产线打样，再随产线升级切换尺寸。

导电型和半绝缘 SiC 衬底怎么选？

看器件类型。导电型 4H-SiC 衬底（电阻率 0.015–0.030 Ω·cm、微管密度 ≤0.1 cm⁻²）用于 SiC MOSFET、SBD 等功率器件；半绝缘衬底（电阻率 ≥1×10⁷ Ω·cm）用于射频与高压隔离器件，也是 GaN-on-SiC 外延的常用衬底。

SiC 外延片的厚度和掺杂能覆盖哪些器件？

SiC 外延层厚度覆盖 1–50μm、掺杂 1×10¹⁵–1×10¹⁹ cm⁻³，对应 650V–3300V 器件的不同耐压需求——耐压越高，外延层越厚、掺杂越低。您可以按目标器件的耐压等级来选外延结构，我们协助推荐。

研发阶段预算有限，有没有更省的打样方式？

有。结构验证阶段可先选价格更优的测试级 SiC 衬底与 GaN 外延片跑通工艺，定型后再切 Prime 级；测试级一片起订、48h 发货，支持 13% 专票，随货提供检测数据与报销资料，能明显压缩打样成本。

你们能供哪些尺寸的 SiC 和 GaN 衬底？

4H-SiC 导电型衬底有 4/6/8 英寸，半绝缘衬底有 4/6 英寸；SiC 外延片 4/6/8 英寸，GaN-on-Si 6/8 英寸，GaN-on-SiC 4/6 英寸。研发可先用 6 英寸打样，随产线升级再平滑切到 8 英寸。

随片检测数据都包含什么？

常规包含 XRD 摇摆曲线、缺陷密度（如微管密度）、电阻率与几何参数（TTV/Warp 等）实测数据，用于验证衬底与外延质量；具体检测项可在下单时按您的验收标准逐项确认，便于研发留档与来料检验。

告知器件拓扑与电压等级，24h 内给出衬底选型与报价

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AI 电源与 HVDC 高压直流：SiC/GaN 衬底配套