氮化鎵 (GaN) 帶來(lái)電源管理變革的 3 大原因

作為提供不間斷連接的關(guān)鍵，許多數據中心依賴(lài)于日益流行的半導體技術(shù)來(lái)提高能效和功率密度。 

氮化鎵技術(shù)，通常稱(chēng)為 GaN，是一種寬帶隙半導體材料，越來(lái)越多地用于高電壓應用。這些應用需要具有更大功率密度、更高能效、更高開(kāi)關(guān)頻率、更出色熱管理和更小尺寸的電源。除了數據中心，這些應用還包括 HVAC 系統、通信電源、光伏逆變器和筆記本電腦充電電源。

了解 GaN 如何突破功率密度和效率界限 

德州儀器 GaN 產(chǎn)品線(xiàn)負責人 David Snook 表示：“氮化鎵是提高功率密度和提高多種應用中電源系統和電源效率的關(guān)鍵一步。在設計中使用 GaN 的公司數量正在迅速增長(cháng)。降低功耗和提高效率至關(guān)重要?！?nbsp;

在過(guò)去 60 多年里，硅一直是半導體電源管理元件的基礎，這些元件將交流 (AC) 轉換為直流 (DC)，然后根據各種應用需求將直流電壓輸入進(jìn)行轉換，從手機到工業(yè)機器人，不一而足。隨著(zhù)元件的改進(jìn)和優(yōu)化，硅的物理特性已得到充分應用。如今，在不增加尺寸的前提下，硅已無(wú)法在所需的頻率下提供更高功率。 

因此，在過(guò)去十年間，許多電路設計人員轉向采用 GaN，以便在更小的空間里實(shí)現更高功率。許多設計人員對于該技術(shù)將在未來(lái)創(chuàng )新中發(fā)揮的潛能充滿(mǎn)信心，主要歸因于以下三點(diǎn)： 

原因 1：GaN 已取得發(fā)展。 

做為半導體應用，盡管 GaN 相對于硅來(lái)說(shuō)較新，但已經(jīng)發(fā)展了多年并具有一定可靠性。德州儀器 GaN 芯片通過(guò)了 4,000 萬(wàn)小時(shí)以上的可靠性測試。即使在數據中心等要求嚴苛的應用中，其有效性也顯而易見(jiàn)。 

David 表示：“隨著(zhù)消費者和企業(yè)對人工智能、云計算和工業(yè)自動(dòng)化等應用的數據量的需求不斷增長(cháng)，全球范圍內需要越來(lái)越多的數據中心。要使數據中心在不會(huì )過(guò)量增加能耗的前提下上線(xiàn)，需要實(shí)現更高效的服務(wù)器電源，而 GaN 是實(shí)現這類(lèi)電源的關(guān)鍵技術(shù)?！?nbsp;

原因 2：使用 GaN 的系統級設計可節省成本。 

盡管現在按芯片級別比較，GaN 比硅昂貴，但 GaN 所帶來(lái)的整個(gè)系統的成本優(yōu)勢、效率和功率密度的提高超過(guò)了初始投資的價(jià)值。例如，在 100 兆瓦數據中心中，使用基于 GaN 的電源管理系統，即使效率增益僅為 0.8%，也能在 10 年間節約 700 萬(wàn)美元的能源成本。節約的能源足夠 80,000 個(gè)家庭，也就是大約一個(gè)小型城市，使用一年。 

德州儀器電源設計服務(wù)團隊總經(jīng)理 Robert Taylor 表示：“GaN 技術(shù)可在較高頻率下運行，進(jìn)而可實(shí)現一些具有更低物料清單成本的拓撲和架構。得益于較高的運行頻率，工程師還可以在設計中選擇較小型的其他元件。GaN 提供了硅芯片所不支持的拓撲，使得工程師可以靈活優(yōu)化其電源設計?！?nbsp;

原因 3：通過(guò)集成提升了性能和易用性。 

GaN FET 需要專(zhuān)用的柵極驅動(dòng)器，這意味著(zhù)需要額外的設計時(shí)間和工作量。不過(guò)，德州儀器通過(guò)在芯片中集成柵極驅動(dòng)器和一些保護功能，簡(jiǎn)化了 GaN 設計。 

David 表示：“集成驅動(dòng)器有助于提高性能并提供更高的功率密度和更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而提升效率并降低整體系統尺寸。集成提供巨大的性能優(yōu)勢并使用 GaN 簡(jiǎn)化設計，可使設計人員更大程度地利用這項技術(shù)的優(yōu)勢?！?nbsp;

性能優(yōu)勢 

David 說(shuō)：“客戶(hù)會(huì )很高興看到我們的參考設計，比如適用于數據中心的 5 千瓦圖騰柱功率因數校正設計所展示的 GaN 的性能優(yōu)勢。他們一旦認識到可以以更小的解決方案尺寸實(shí)現更高的效率，或者以同樣的外形尺寸實(shí)現更高的功率水平，這會(huì )促使他們轉向使用 GaN?！?nbsp;

例如，一些模塊化家用空調設備制造公司采用 GaN 進(jìn)行設計，將電源效率提高了 5%。 

Robert 表示：“從空調耗能的角度來(lái)看，這個(gè)數字意義重大，提高 5% 的效率可以節省一大筆資金。能用 GaN 器件實(shí)現這點(diǎn)真是太棒了?！?/p>