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

而這種能源使用情況僅代表數(shù)據(jù)中心。其實,電信、工業(yè)自動化、汽車和許多其他系統(tǒng)也同樣需要提供高密度的電源系統(tǒng)。

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

GaN也面臨著挑戰(zhàn)。過去,這些挑戰(zhàn)與制造和提供高質(zhì)量、可靠GaN的能力相關(guān)。然而,隨著整個行業(yè)制造工藝的改進和采用率的增加,挑戰(zhàn)逐漸集中到實施和系統(tǒng)設計上。要實現(xiàn)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(tǒng)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、開關(guān)頻率并把功耗降至更低的能力。

圖1．比較GaN vs． Si的設備損耗

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。

從GaN內(nèi)在優(yōu)勢獲益較多的應用是開關(guān)模式電源。

1-kW GaN解決方案:從AC到POL的功率密度翻了三倍

圖2．在電源的所有級中,GaN解決方案能縮小規(guī)模,提高效率。

圖3．GaN PFC拓撲。

PFC級(圖3)使用高效率圖騰柱拓撲,從而實現(xiàn)獨一無二的高功率密度、高效率和低功耗組合,而類似的基于硅的設計卻無法做到這一點。與使用硅的傳統(tǒng)二極管橋式升壓PFC相比,此級的效率超過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(zhuǎn)換器(圖 4)。雖然在LLC轉(zhuǎn)換器中使用硅是很普遍的,但是GaN的優(yōu)點在于把功率密度提高了50%,將開關(guān)頻率提升了一個數(shù)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。

圖4．GaN LLC拓撲。

圖6．實際和潛在的GaN應用領(lǐng)域。

使用GaN解決方案,提高脈寬調(diào)制(PWM)頻率并降低開關(guān)損耗,這有助于驅(qū)動極低電感的永久磁性和無刷直流電機。這些特性還使轉(zhuǎn)矩波動更小化,從而在伺服驅(qū)動器和步進器中實現(xiàn)精確定位,支持高速電機在無人機等應用中實現(xiàn)高電壓。

圖7．GaN逆變器。100kHz 3級設計。

高保真音響

高性能音響的功放要求近乎理想化的開關(guān)波形來減少失真,這是因為任何無用頻率的諧波都會導致人耳可聽頻帶。GaN化解了這個問題,它能在高得多的壓擺率下高效開關(guān),并且開關(guān)行為可預測性較高,極大減少了諧波失真,實現(xiàn)了更理想的音響性能,將噪音限制在更高的不可聽的頻帶內(nèi)。

通過GaN設計最佳解決方案

由于高頻電源系統(tǒng)設計帶來了新的挑戰(zhàn),即使老練的電源設計師也要經(jīng)受考驗,但如果有現(xiàn)成的解決方案就可以顯著縮短設計周期。TI供應完整的電源級產(chǎn)品,可幫助設計師把問題大大簡化。我們現(xiàn)有的解決方案能夠滿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(nèi)集成了內(nèi)置保護功能。另外,TI的GaN FET驅(qū)動器和可以與該驅(qū)動器無縫配對的高頻模擬與數(shù)字控制器,共同有力支持了利用基礎(chǔ)元件構(gòu)建電源系統(tǒng)的設計師。

圖8．LMG3410:600V/70 mΩ 12A GaN電源級。

今天的GaN立足于未來

GaN技術(shù)已經(jīng)在縮減系統(tǒng)規(guī)模和提高電源效率方面扮演著重要角色。該技術(shù)實現(xiàn)的節(jié)省對所有應用都有重要影響,尤其是數(shù)據(jù)中心、基站和其他高密度系統(tǒng)。另外,GaN的高頻運行有助進行精確的電機控制和為LiDAR及音響應用提供更高分辨率。隨著創(chuàng)新拓撲和新方法的發(fā)明與應用,其他類型的應用也將快速跟進。

因而電源系統(tǒng)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(xù)推動這項技術(shù)的創(chuàng)新,我們在不斷開發(fā)更先進的技術(shù)。集成化解決方案節(jié)約了開發(fā)時間并且可以隨時利用,同時我們針對廣泛應用的參考設計也在穩(wěn)步增加。當下對電源效率的需求越來越緊迫,TI技術(shù)和解決方案繼續(xù)保持領(lǐng)先的創(chuàng)新,幫助世界變得更智能、更環(huán)保。

這些新的設計挑戰(zhàn)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。

德州儀器(TI)是推動GaN開發(fā)和支持系統(tǒng)設計師采用這項新技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)。TI基于GaN的電源解決方案和參考設計,致力于幫助系統(tǒng)設計師節(jié)省空間、取得更高電源效率及簡化設計流程。TI新穎的解決方案不僅可以優(yōu)化性能,而且攻克了具有挑戰(zhàn)性的實施問題,使客戶得以設計高能效系統(tǒng),建設更綠色環(huán)保的世界。

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間、低導通電阻、低柵電容和輸出電容,無不降低了開關(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數(shù)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)熱并精簡了實用冷卻方案。

AC/DC電源的目標是要把AC線路電源轉(zhuǎn)化為較低電壓,為手機或個人計算機等低壓電氣設備供電或充電,而這通常通過幾個功率級實現(xiàn)。第一級是普通電源,包括供電AC線路電源,它通過功率因數(shù)校正(PFC)級產(chǎn)生DC總線高壓,通常為380 V。在第二級,該電壓經(jīng)由高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為低壓(一般是48 V 或12 V)。這兩級被稱為交直流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸出的12 V或48 V電壓,被分配給位于不同負載點(POL)的最終使用電路,例如設備柜內(nèi)的不同電路板。第三級轉(zhuǎn)換器存在一或多個直流轉(zhuǎn)換器,可產(chǎn)生電子組件所需的低壓。

圖2中的示例顯示了1kW基于GaN的AC/DC,及GaN如何改進了PFC級、高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和POL級的功率密度。本示例最重要的一點不僅僅是使用了GaN,更重要的是它是如何使用的。目前我們?nèi)匀皇褂肞FC、DC/DC和POL,但是它們的實施或使用的電源拓撲有所不同,經(jīng)過優(yōu)化的電源拓撲可更大程度發(fā)揮GaN的性能。

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

圖5．兩個POL級到單級。

滿足一系列應用要求

GaN的優(yōu)勢不僅限于AC/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。

LiDAR

對寬度日益趨窄的要求,迅速使得GaN FET和驅(qū)動器成為LiDAR的必備元件,雖然LiDAR也用于機器人、無人機、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駕駛車輛的傳感聯(lián)系起來。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,以更短脈沖實現(xiàn)了更高的峰值輸出光功率,這在提高成像分辨率的同時保護了眼睛的安全。

圖8所示LMG3410是單通道電源級,它在同一個模塊中組合了一個70 mΩ、600 V GaN FETs和一個經(jīng)過優(yōu)化的驅(qū)動器,通過獨立的組件把影響高速設計的寄生效應降至更低。內(nèi)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(qū)動器及高側(cè)和低側(cè)GaN FET。LMG5200直接與模擬控制器(如TI的TPS53632G,用于DC/DC轉(zhuǎn)換應用)和數(shù)字控制器(如TI的C2000TMTM實時微控制器,用于音響和電機控制應用)對接。

圖9．LMG5200:80 V/10 A GaN半橋電源級。

在簡化設計的過程中,幾乎與產(chǎn)品本身同等重要的是一整套開發(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(xiàn)成電路,可用于雷達、汽車、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設計出盡可能高效的GaN電源系統(tǒng)。