Architettura GaN da 650 V con raffreddamento su due lati per data center IA

Renesas lancia il TP65H020G4PLSGBD, un dispositivo in nitruro di gallio (GaN) da 650 volt che integra il raffreddamento su due lati per facilitare la conversione di potenza ad alta densità. Questo hardware è specificamente progettato per le architetture a corrente continua ad alta tensione (HVDC) da 800 volt nei data center IA, affrontando le gravi limitazioni termiche e spaziali nei moderni convertitori di bus intermedi e nei rack di alimentazione sidecar.

Gestione termica nella conversione di potenza ad alta densità
Mentre le richieste di potenza dei rack dei data center passano da 120 kilowatt verso la scala dei megawatt, lo spazio fisico e la dissipazione termica sono diventati i principali vincoli ingegneristici. Per sostenere questi livelli di potenza, il nuovo dispositivo GaN si allontana dal tradizionale packaging con raffreddamento superiore. Utilizza invece un'architettura con raffreddamento su due lati (DSC - dual-side-cooled) che dissipa il calore sia dalla parte superiore che da quella inferiore del componente. Questa gestione termica a doppio percorso riduce l'impedenza termica superiore del 10 percento.

Il dispositivo è alloggiato in un package PQFN di 8x8 millimetri, riducendo l'impronta del componente del 57 percento rispetto al più diffuso package TOLT di 10x15 millimetri. Questa riduzione dimensionale consente agli ingegneri hardware di concentrare maggiori capacità di potenza negli stadi dei convertitori di bus intermedi (IBC) da 800 V con vincoli di spazio — che riducono la tensione a 48 V, 12 V o 6 V — così come negli stadi di backup a batteria e nei banchi di condensatori.

Architettura del componente e integrazione dei driver
Basato su un'architettura GaN D-Mode Gen IV Plus, il TP65H020G4PLSGBD offre una resistenza in stato di conduzione (on-resistance) di 20 milliohm (mΩ). Il design del semiconduttore è caratterizzato da una bassa carica di gate e capacità di uscita, oltre a un diodo di libera circolazione (freewheeling diode) integrato e progettato per ridurre al minimo il recupero inverso. Poiché utilizza un'alta tensione di soglia che opera senza polarizzazione negativa del gate, il dispositivo GaN può essere pilotato utilizzando driver di gate in silicio standard. Questa compatibilità consente agli ingegneri di passare alla gamma di frequenze dei megahertz, riducendo al minimo la necessità di componenti passivi di grandi dimensioni e abbassando il costo complessivo dei materiali (BOM) senza richiedere driver E-mode specializzati.

John Wiggenhorn, Senior Product Line Director per il GaN ad alta tensione presso Renesas, ha delineato la logica operativa del packaging: "Raffreddiamo il dispositivo da entrambi i lati e ne riduciamo significativamente l'impronta, in modo che i progettisti possano far transitare più potenza attraverso il bus intermedio senza dover riprogettare la scheda o aggiungere ulteriore hardware di raffreddamento".

Efficienza misurabile e scalabilità del sistema
Per convalidare l'efficienza operativa del dispositivo, Renesas ha sviluppato un design di riferimento per un trasformatore CC LLC da 6 kilowatt (da 800 V a 48 V) controllato da un microcontrollore RA6T3. Durante i test sui moduli, questa configurazione ha raggiunto una densità di potenza di 2,6 kilowatt per pollice cubo. Inoltre, l'efficienza a pieno carico è risultata superiore dello 0,21 percento rispetto a una scheda equivalente che utilizza il tradizionale packaging TOLT. La compatta impronta DSC ottimizza anche il layout del circuito stampato (PCB) consentendo un routing meglio adattato sui transistor a effetto di campo.

Il produttore esporrà il dispositivo GaN TP65H020G4PLSGBD e le relative soluzioni di alimentazione da 800 V all'OCP Global Summit di San Jose, in California, dal 12 al 15 ottobre 2026.

Contesto aggiuntivo
Questa sezione dettaglia le specifiche tecniche e l'analisi comparativa competitiva non incluse nel comunicato stampa originale.

Nel mercato dei semiconduttori ad ampio bandgap ad alta tensione, i dispositivi GaN da 650 V vengono valutati principalmente in base alla resistenza in stato di conduzione, all'impronta del packaging e alle metriche di resistenza termica. Concorrenti come Infineon Technologies, Navitas Semiconductor e Texas Instruments offrono transistor a effetto di campo GaN da 600 V a 650 V che raggiungono regolarmente resistenze in stato di conduzione nell'intervallo tra 15 e 30 mΩ. Tuttavia, la pratica standard del settore per la gestione termica ad alta potenza fa un forte affidamento sui package con raffreddamento superiore (TSC - Top-Side Cooled) come il TOLT (10x15 mm), che estraggono il calore verso l'alto in un dissipatore dedicato, ma limitano il trasferimento termico verso il PCB.

L'integrazione del raffreddamento su due lati (DSC) in un package PQFN più piccolo di 8x8 mm offre un netto vantaggio volumetrico. Consentendo al calore di fluire contemporaneamente in un dissipatore superiore e verso il basso attraverso le vie termiche del PCB, il package DSC ottiene una dissipazione termica equivalente o superiore in meno della metà dello spazio su scheda rispetto a un dispositivo TOLT. Questa capacità punta direttamente agli standard di benchmarking per gli alimentatori (PSU) dei server IA, dove ai produttori è richiesto di aumentare la densità di potenza per conformarsi alle rigide limitazioni del fattore di forma dell'Open Compute Project (OCP).

Edito da Aishwarya Mambet, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

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