GaN 將能源效率推升至新高度

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)^[1]在2016年所做的一項研究表明，2020年美國數據中心將要消耗的能源預計會(huì )達到730億千瓦時(shí)——這是一個(gè)天文數字。只要我們對計算密集型數據服務(wù)的需求不斷增加，那么，在更小的空間內提供更多能量以盡可能高效地運行這些中心，就會(huì )是必然趨勢。

而這種能源使用情況僅代表數據中心。其實(shí)，電信、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)和許多其他系統也同樣需要提供高密度的電源系統。

提高電力傳輸效率的一種方法是利用包括氮化鎵（GaN）在內的新的能源半導體技術(shù)。與傳統的硅解決方案相比，GaN在開(kāi)關(guān)性能方面具有本質(zhì)上優(yōu)越的器件屬性，當它部署在開(kāi)關(guān)電源中時(shí)，可高效供電，將效率提高到前所未有的高度。進(jìn)而幫助最終用戶(hù)從根本上節約能源、降低操作成本并減少排放到大氣中的碳排放量。

GaN也面臨著(zhù)挑戰。過(guò)去，這些挑戰與制造和提供高質(zhì)量、可靠GaN的能力相關(guān)。然而，隨著(zhù)整個(gè)行業(yè)制造工藝的改進(jìn)和采用率的增加，挑戰逐漸集中到實(shí)施和系統設計上。要實(shí)現更高的效率，不僅需要用GaN替換硅，因為目前的技術(shù)已經(jīng)能夠支持系統級別的改變，此舉大大提升了效率。技術(shù)賦予設計工程師提高壓擺率、開(kāi)關(guān)頻率并把功耗降至更低的能力。這些新的設計挑戰為最終產(chǎn)品的創(chuàng )新及形成別具一格的特色提供了具有重要意義的機會(huì )。

圖1.比較GaN vs. Si 的設備損耗

GaN技術(shù)和解決方案的電源優(yōu)勢

GaN 提供更高效和性能卓越的電源，其中的原因是多方面的?？焖倥郎龝r(shí)間、低導通電阻、低柵電容和輸出電容，無(wú)不降低了開(kāi)關(guān)損耗，并支持以多種頻率工作，速度通常比當今硅基解決方案快一個(gè)數量級。如圖1 所示。更低的損耗等同于更高效的電源分布，這減少了發(fā)熱并精簡(jiǎn)了實(shí)用冷卻方案。

另外，高頻工作對解決方案成本有積極影響，這是因為變壓器和電感器等必要磁元件的體積、重量和所需材料都有所減少。改進(jìn)的FOM 實(shí)現了較低的RDS(ON)和較低的開(kāi)關(guān)損耗。高效率和/或更高的開(kāi)關(guān)頻率從GaN 內在優(yōu)勢獲益較多的應用是開(kāi)關(guān)模式電源。 AC/DC 電源的目標是要把AC 線(xiàn)路電源轉化為較低電壓，為手機或個(gè)人計算機等低壓電氣設備供電或充電，而這通常通過(guò)幾個(gè)功率級實(shí)現。第一級是普通電源，包括供電AC 線(xiàn)路電源，它通過(guò)功率因數校正(PFC)級產(chǎn)生DC 總線(xiàn)高壓，通常為380 V。在第二級，該電壓經(jīng)由高壓DC/DC 轉換器被轉換為低壓（一般是48V 或12 V）。這兩級被稱(chēng)為交直流轉換級。它們一般被部署在一起并提供保護設備和人員的隔離措施。第二級轉換器輸出的12 V 或48 V 電壓，被分配給位于不同負載點(diǎn)(POL)的最終使用電路，例如設備柜內的不同電路板。第三級轉換器存在一或多個(gè)直流轉換器，可產(chǎn)生電子組件所需的低壓。

圖2.在電源的所有級中，GaN 解決方案能縮小規模，提高效率。

圖2中的示例顯示了1kW基于GaN的AC/DC，及GaN如何改進(jìn)了PFC級、高壓DC/DC轉換器和POL級的功率密度。本示例最重要的一點(diǎn)不僅僅是使用了GaN，更重要的是它是如何使用的。目前我們仍然使用PFC、DC/DC和POL，但是它們的實(shí)施或使用的電源拓撲有所不同，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的電源拓撲可更大程度發(fā)揮GaN的性能。

PFC 級（圖3）使用高效率圖騰柱拓撲，從而實(shí)現獨一無(wú)二的高功率密度、高效率和低功耗組合，而類(lèi)似的基于硅的設計卻無(wú)法做到這一點(diǎn)。與使用硅的傳統二極管橋式升壓PFC 相比，此級的效率超過(guò)99％，功耗降低10W 以上。

高壓DC/DC 級采用了高效的諧振邏輯鏈路控制(LLC)轉換器（圖 4）。雖然在LLC 轉換器中使用硅是很普遍的，但是GaN的優(yōu)點(diǎn)在于把功率密度提高了50%，將開(kāi)關(guān)頻率提升了一個(gè)數量級。1-MHz 基于GaN 的LLC 要求變壓器尺寸比100-kHz基于硅的LLC 設計所采用的變壓器要小六分之一。

POL 級利用GaN 的高效開(kāi)關(guān)屬性，使48 V 高效硬開(kāi)關(guān)轉換器直接達到1 V。大多數硅解決方案需要中間第四級將48 V 轉換為12 V，但GaN 可實(shí)現真正的單級轉換，直接轉換為1 V。通過(guò)這種方式，基于GaN 的設計可將元件數量減少一半，并將功率密度提高三倍（圖5）。

圖3.GaN PFC 拓撲。

滿(mǎn)足一系列應用要求

GaN 的優(yōu)勢不僅限于A(yíng)C/DC 電源。如圖6 所示的多種其他應用，也可從GaN 提供的更高效率和功率密度獲益。以下提及的最終設備或某些更令人興奮的領(lǐng)域都迅速提高了對GaN 的利用率。

圖4.GaN LLC 拓撲。

LiDAR

對寬度日益趨窄的要求，迅速使得GaN FET 和驅動(dòng)器成為L(cháng)iDAR 的必備元件，雖然LiDAR 也用于機器人、無(wú)人機、安防、地圖測繪和其他各種領(lǐng)域，但許多人更常將其與自動(dòng)駕駛車(chē)輛的傳感聯(lián)系起來(lái)。下一代LiDAR 的要求包括更大范圍和更高分辨率以便提升儀器的能力，使其能夠感應更遠的距離和更高效地識別對象。GaN 的低輸入和高電容，以更短脈沖實(shí)現了更高的峰值輸出光功率，這在提高成像分辨率的同時(shí)保護了眼睛的安全。

圖5.兩個(gè)POL 級到單級。

高保真音響

高性能音響的功放要求近乎理想化的開(kāi)關(guān)波形來(lái)減少失真，這是因為任何無(wú)用頻率的諧波都會(huì )導致人耳可聽(tīng)頻帶。GaN 化解了這個(gè)問(wèn)題，它能在高得多的壓擺率下高效開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)行為可預測性較高，極大減少了諧波失真，實(shí)現了更理想的音響性能，將噪音限制在更高的不可聽(tīng)的頻帶內。

圖6.實(shí)際和潛在的GaN 應用領(lǐng)域。

通過(guò)GaN 設計最佳解決方案

由于高頻電源系統設計帶來(lái)了新的挑戰，即使老練的電源設計師也要經(jīng)受考驗，但如果有現成的解決方案就可以顯著(zhù)縮短設計周期。TI 供應完整的電源級產(chǎn)品，可幫助設計師把問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。我們現有的解決方案能夠滿(mǎn)足電源供應鏈中不同的電壓水平和需求，這些解決方案在小巧的低電感封裝內集成了內置保護功能。另外，TI 的GaN FET 驅動(dòng)器和可以與該驅動(dòng)器無(wú)縫配對的高頻模擬與數字控制器，共同有力支持了利用基礎元件構建電源系統的設計師。

圖8 所示LMG3410 是單通道電源級，它在同一個(gè)模塊中組合了一個(gè)70 mΩ、600 V GaN FETs 和一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的驅動(dòng)器，通過(guò)獨立的組件把影響高速設計的寄生效應降至更低。內置功能提供溫度、電流和欠壓鎖定(UVLO)故障保護，保證了安全可靠的操作。

對于需要小尺寸高效工作的應用設計人員，圖9 所示的LMG5200 是完全集成化的半橋電源級，它提供的80-V、10-A解決方案包括半橋柵極驅動(dòng)器及高側和低側GaN FET。LMG5200 直接與模擬控制器（如TI 的TPS53632G，用于DC/DC轉換應用）和數字控制器（如TI 的C2000TMTM 實(shí)時(shí)微控制器，用于音響和電機控制應用）對接。

在簡(jiǎn)化設計的過(guò)程中，幾乎與產(chǎn)品本身同等重要的是一整套開(kāi)發(fā)工具。評估模塊(EVM)有助設計師了解解決方案的運作情況和制定重要決策。參考設計則提供可靠的現成電路，可用于雷達、汽車(chē)、不間斷電源(UPS)、電機控制、電流測量和其他領(lǐng)域的應用中。我們對所有領(lǐng)域的深度支持能夠幫助客戶(hù)設計出盡可能高效的GaN 電源系統。

圖7.GaN 逆變器。100kHz 3 級設計。

今天的GaN 立足于未來(lái)

GaN 技術(shù)已經(jīng)在縮減系統規模和提高電源效率方面扮演著(zhù)重要角色。該技術(shù)實(shí)現的節省對所有應用都有重要影響，尤其是據中心、基站和其他高密度系統。另外，GaN 的高頻運行有助進(jìn)行精確的電機控制和為L(cháng)iDAR 及音響應用提供更高分辨率。隨著(zhù)創(chuàng )新拓撲和新方法的發(fā)明與應用，其他類(lèi)型的應用也將快速跟進(jìn)。

因而電源系統設計師不必再等待GaN 革命的爆發(fā)。GaN 解決方案就在今天，TI 在竭力并持續推動(dòng)這項技術(shù)的創(chuàng )新，我們在不斷開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)。集成化解決方案節約了開(kāi)發(fā)時(shí)間并且可以隨時(shí)利用，同時(shí)我們針對廣泛應用的參考設計也在穩步增加。當下對電源效率的需求越來(lái)越緊迫，TI 技術(shù)和解決方案繼續保持領(lǐng)先的創(chuàng )新，幫助世界變得更智能、更環(huán)保。

圖8.LMG3410：600V/70 mΩ 12A GaN 電源級。

相關(guān)資源：

●   TI 的LMG3410 和LMG5200 GaN 解決方案

●   TPS53632G 產(chǎn)品文件夾

●   TMS320C2000 C2000TM 實(shí)時(shí) MCUs

●   白皮書(shū)：GaN 和SiC 支持實(shí)現更高效率的電源

圖9.LMG5200：80 V/10 A GaN 半橋電源級。

參考文獻：

1.   Shehabi, A., Smith, S.J., Horner, N., Azevedo, I., Brown, R., Koomey, J., Masanet, E., Sartor, D., Herrlin, M., Lintner,W. 2016. United States Data Center Energy Usage Report. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley,California.LBNL-1005775