【導讀】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）在內的新的能源半導體技術。與傳統(tǒng)的硅解決方案相比，GaN在開關性能方面具有本質上優(yōu)越的器件屬性，當它部署在開關電源中時，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)與制造和提供高質量、可靠GaN的能力相關。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。技術賦予設計工程師提高壓擺率、開關頻率并把功耗降至更低的能力。
這些新的設計挑戰(zhàn)為最終產品的創(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的領軍企業(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。快速爬升時間、低導通電阻、低柵電容和輸出電容，無不降低了開關損耗，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。
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內在優(yōu)勢獲益較多的應用是開關模式電源。
AC/DC電源的目標是要把AC線路電源轉化為較低電壓，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轉換器被轉換為低壓（一般是48 V 或12 V）。這兩級被稱為交直流轉換級。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(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直流轉換器，可產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。目前我們仍然使用PFC、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。
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
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。
圖3.GaN PFC拓撲
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)點在于把功率密度提高了50%，將開關頻率提升了一個數(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
POL級利用GaN的高效開關屬性，使48 V高效硬開關轉換器直接達到1 V。大多數(shù)硅解決方案需要中間第四級將48 V轉換為12 V，但GaN可實現(xiàn)真正的單級轉換，直接轉換為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域都迅速提高了對GaN的利用率。
圖6.實際和潛在的 GaN應用領域
電機和電機控制
在機器人領域和其他工業(yè)應用的電機中，尺寸和電源效率十分關鍵，但其他因素同樣也會發(fā)揮作用。
使用GaN解決方案，提高脈寬調制(PWM)頻率并降低開關損耗，這有助于驅動極低電感的永久磁性和無刷直流電機。這些特性還使轉矩波動更小化，從而在伺服驅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。
LiDAR
對寬度日益趨窄的要求，迅速使得GaN FET和驅動器成為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，并且開關行為可預測性較高，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。
通過GaN設計更佳解決方案
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集成了內置保護功能。另外，TI的GaN FET驅動器和可以與該驅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元件構建電源系統(tǒng)的設計師。
圖8.LMG3410：600V/70 mΩ 12A GaN電源級
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(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、電流測量和其他領域的應用中。我們對所有領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)。
今天的GaN立足于未來
GaN技術已經(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)推動這項技術的創(chuàng)新，我們在不斷開發(fā)更先進的技術。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 技術和解決方案繼續(xù)保持領先的創(chuàng)新，幫助世界變得更智能、更環(huán)保。
推薦閱讀：
