在數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長以及 5G 技術(shù)深度普及的當下，POE（以太網(wǎng)供電）交換機作為融合了數(shù)據(jù)傳輸與電力供應功能的關鍵設備，廣泛應用于企業(yè)網(wǎng)絡、5G 基站邊緣站點等場景，正面臨著巨大的性能挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)硅基器件在效率、散熱和體積方面的固有缺陷，嚴重制約了 POE 交換機的進一步發(fā)展。而GaN HEMT這一新興技術(shù)，憑借其獨特的材料特性，為 POE 交換機帶來了全新的發(fā)展契機。本文將深入探討 GaN HEMT 在 POE 交換機中的應用及其顯著優(yōu)勢。

硅基 POE 交換機的困境

隨著網(wǎng)絡設備對電力需求的不斷增加，POE 交換機的功耗問題愈發(fā)凸顯。以工業(yè)級48口交換機為例，部分端口為90W（802.3bt），其余為30W，總功率可達 ?2000W。傳統(tǒng)硅基功率器件，如 Si MOSFET，在 POE 應用中暴露出諸多弊端。

表1：不同POE標準的功率對比

（一）效率低下

硅材料的電子遷移率較低，在高頻工作時，開關損耗較大。以常見的 POE 供電場景為例，硅基器件的能效通常難以突破 92%，這意味著大量的電能在轉(zhuǎn)換過程中被浪費，不僅增加了運營成本，還不符合當下綠色節(jié)能的發(fā)展理念。

表2：不同應用場景下的POE交換機功率

（二）散熱難題

在高功率 POE 交換機中，硅基器件在工作時會產(chǎn)生大量熱量。為保證設備的穩(wěn)定運行，不得不配備復雜且昂貴的散熱系統(tǒng)，這不僅增加了設備的成本和體積，還可能出現(xiàn)散熱不足導致設備性能下降甚至故障的情況。

（三）體積受限

為滿足 POE 交換機多端口、高功率的供電需求，硅基器件往往需要采用堆疊設計，這使得交換機的體積不斷增大，在空間有限的安裝環(huán)境中，如企業(yè)弱電間、5G 小型基站等，部署難度顯著增加。

GaN HEMT：POE 交換機的理想之選

GaN HEMT 作為第三代半導體材料的杰出代表，其特性完美契合 POE 交換機的發(fā)展需求。

（一）超高電子遷移率

GaN 的電子遷移率是硅的 10 倍之多，這一特性使其能夠在更高頻率下工作，功率GaN器件最高可達2MHz 以上。在 POE 交換機的供電模塊中，更高的頻率意味著更小的模塊體積和更高效的電力轉(zhuǎn)換，這一優(yōu)勢尤為明顯，能夠大大提高電力轉(zhuǎn)換效率，減少能源浪費。

（二）耐高溫及高壓

GaN HEMT 的擊穿電場強度是硅的 5 倍，工作溫度范圍可達 -55°C 至 +150°C 。以芯干線700V的GaN HEMT為例，擊穿電壓可達900V以上，在 POE 應用中，這意味著它可以承受更高的電壓，減少因電壓波動導致的設備損壞風險，同時在高溫環(huán)境下也能穩(wěn)定運行，無需過于復雜的散熱措施。

PS：芯干線X3G6515A5/X3G6516B5/X3G6522A5/X3G6515B8等產(chǎn)品，均滿足POE交換機GaN HEMT功率器件的使用。

GaN HEMT 在 POE 交換機中的具體應用優(yōu)勢

（一）電源模塊效率大幅提升

將 GaN HEMT 應用于 POE 交換機的電源模塊，如 220VAC 轉(zhuǎn) 48VDC 的轉(zhuǎn)換過程，可將轉(zhuǎn)換效率從傳統(tǒng)硅基器件的 92% 提升至 97%。以中等規(guī)模的企業(yè)級 POE 交換機為例，使用兩臺48口的POE交換機，每年可節(jié)省電量超過 1100 度，長期來看，能為企業(yè)節(jié)省可觀的電費支出。

（二）支持高功率POE++ 供電

隨著網(wǎng)絡設備對功率需求的增加，POE++（90W 以上）供電標準逐漸普及。GaN HEMT 憑借其高頻率特性，能夠輕松支持 POE++，為更多高功率設備，如高清攝像頭、大功率無線接入點等提供穩(wěn)定電力，拓展了 POE 交換機的應用場景。

（三）助力交換機緊湊化設計

GaN HEMT 器件體積相比硅基器件縮小 70%，這使得 POE 交換機的 PCB 集成度大幅提升。更緊湊的設計不僅節(jié)省了安裝空間，還降低了設備重量，便于在各種復雜環(huán)境中部署，同時也符合設備小型化、輕量化的發(fā)展趨勢。

不同場景下的 POE 交換機應用

（一）企業(yè)級POE 交換機

企業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境復雜，需要 POE 交換機支持靈活組網(wǎng)，如多分支互聯(lián)、VLAN 劃分等功能，同時對安全性要求極高，需集成防火墻、支持 MACsec、IPsec 等安全協(xié)議硬加速。此外，企業(yè)通常需要通過 POE 為大量的 AP、攝像頭、IP 電話等設備供電，對端口密度和供電功率有較高要求，并且希望設備易于維護、成本可控。

GaN HEMT 的高效供電能力為企業(yè)級 POE 交換機集成更多安全模塊提供了可能，增強了設備的安全性。其提升的電源模塊效率，不僅支持多端口高功率 POE++ 供電，還減少了設備發(fā)熱量，降低了散熱成本。同時，GaN 的高可靠性可降低設備故障率，減少運維成本，滿足企業(yè)對設備長期穩(wěn)定運行的需求。

思科 Catalyst 9000X 系列采用 GaN 電源模塊后，厚度減少 40%，支持 90W 的 POE++ 高效供電，在滿足企業(yè)高密度端口供電需求的同時，實現(xiàn)了設備的輕薄化設計，提高了空間利用率，成為企業(yè)級 POE 交換機應用的成功范例。

（二）5G 基站與邊緣站點 POE 交換機

5G 基站和邊緣站點對 POE 交換機的要求獨特。一方面，需要支持毫米波頻段（24 - 100GHz）的高頻通信，并且具備強大的抗干擾能力；另一方面，由于安裝空間狹小，環(huán)境惡劣，要求設備小型化、耐高溫、耐濕度，同時要降低能耗，支持 PoE 等高效供電方案，以減輕運營商的運營成本壓力。

在射頻領域GaN HEMT 的高頻特性與毫米波通信天然適配，其耐高壓、抗輻射能力強，非常適合處理基站前傳和回傳的高頻信號。體積小、無需復雜散熱系統(tǒng)以及寬泛的工作溫度范圍，使其能夠輕松適應 5G 基站和邊緣站點的惡劣環(huán)境。在供電方面，GaN HEMT 的高效率 DC - DC 轉(zhuǎn)換可優(yōu)化電源模塊，支持更高功率的 POE++，為基站周邊的攝像頭、IoT 設備等提供充足電力。

華為 “PowerStar 2.0” 方案搭載 GaN 器件，使基站能效提升 20%，有效降低了運營成本。隨著 5G 網(wǎng)絡的不斷擴展，GaN HEMT 在 5G 基站與邊緣站點 POE 交換機中的應用將越來越廣泛，成為推動 5G 網(wǎng)絡建設的關鍵技術(shù)之一。

臺灣星眾科技（Sera）搶占先機，率先推出 GaN HEMT POE 交換機，投入市場后，在大型數(shù)據(jù)中心等應用領域成功得以應用 。

GaN HEMT 在 POE 交換機領域的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前，在中游設備商方面，華為、新華三已推出支持 GaN 的交換機原型，戴爾、Arista 2024 年量產(chǎn) GaN 數(shù)據(jù)中心交換機，其中也包括 POE 功能的交換機產(chǎn)品。

表三：廠商布局與產(chǎn)品示例

盡管 GaN HEMT 在 POE 交換機領域前景廣闊，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。

首先，成本問題是制約其大規(guī)模應用的重要因素，8 英寸 GaN 晶圓價格是硅的 4 倍。不過，隨著臺積電等廠商的產(chǎn)能擴張，成本正以年均 15% 的幅度下降。

其次，早期 GaN HEMT 產(chǎn)品存在動態(tài)電阻退化問題，影響了設備的可靠性。但新型 p - GaN 柵極技術(shù)的出現(xiàn)，使器件壽命突破 100 萬小時，大大提高了可靠性，其中芯干線的GaN HEMT產(chǎn)品，已通過工業(yè)級可靠性測試，確保了 GaN HEMT 在POE交換機供電應用場景中能穩(wěn)定、高效地運行，并有多個規(guī)格供客戶選擇。

最后，設計生態(tài)方面還不夠完善，工具鏈、散熱方案等需要全行業(yè)協(xié)同發(fā)展。中國《十四五第三代半導體規(guī)劃》已將相關技術(shù)列為重點發(fā)展方向，有望推動 GaN HEMT 在 POE 交換機領域的進一步發(fā)展。

隨著技術(shù)持續(xù)革新和市場需求的動態(tài)演變，Wi-Fi 7正逐步走向普及，單AP功耗攀升至40W+，對商用交換機提出了支持802.3at/bt標準的明確要求。與此同時，綠色節(jié)能成為新的發(fā)展方向：

一方面，無風扇設計與低功率機型成為主流選擇，有效降低能耗；

另一方面，靜音散熱技術(shù)的應用，使得設備運行時更加安靜、穩(wěn)定。

這些特性讓交換機能夠廣泛適用于零售、醫(yī)療、工廠、商場以及大戶型家庭等多元化場景，完美契合不同場景下的網(wǎng)絡部署與使用需求 。

GaN HEMT 的發(fā)展不僅是半導體技術(shù)的革新，更是 POE 交換機領域的一場革命。隨著成本的降低、可靠性的提高以及設計生態(tài)的完善，它有望徹底改變 POE 交換機的格局，為未來網(wǎng)絡的發(fā)展奠定堅實基礎。

關于芯干線

芯干線科技是一家由功率半導體資深海歸博士、電源行業(yè)市場精英和一群有創(chuàng)業(yè)夢想的年輕專業(yè)人士所創(chuàng)建寬禁帶功率器件原廠。2022年被評為規(guī)模以上企業(yè)，2023年國家級科技型中小企業(yè)、國家級高新技術(shù)企業(yè)，通過了ISO9001生產(chǎn)質(zhì)量管理體系認證。在2024年通過了IATF16949汽車級零部件生產(chǎn)質(zhì)量管理體系認證。

公司自成立以來，深耕于功率半導體Si MOS & IGBT、GaN HEMT、SiC MOS & SBD、IGBT 和 SiC Module等功率器件及模塊的研發(fā)和銷售。產(chǎn)品被廣泛應用于消費、光伏、儲能、汽車、Ai服務器、工業(yè)自動化等能源電力轉(zhuǎn)換與應用領域。

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