GaN 將能源效率推升至新高度

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(yù)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(wù)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(dǎo)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(dāng)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(shè)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(shè)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。這些新的設(shè)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。

圖1.比較GaN vs. Si 的設(shè)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。快速爬升時間、低導(dǎo)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(dāng)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。

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。改進的FOM 實現(xiàn)了較低的RDS(ON)和較低的開關(guān)損耗。高效率和/或更高的開關(guān)頻率從GaN 內(nèi)在優(yōu)勢獲益較多的應(yīng)用是開關(guān)模式電源。 AC/DC 電源的目標(biāo)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(shè)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48V 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(shè)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(shè)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.在電源的所有級中，GaN 解決方案能縮小規(guī)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。

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(shè)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(shè)計所采用的變壓器要小六分之一。

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(shè)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3.GaN PFC 拓撲。

滿足一系列應(yīng)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(yīng)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(shè)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(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(yīng)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5.兩個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(dǎo)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(yù)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)。

圖6.實際和潛在的GaN 應(yīng)用領(lǐng)域。

通過GaN 設(shè)計最佳解決方案

由于高頻電源系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)，即使老練的電源設(shè)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(shè)計周期。TI 供應(yīng)完整的電源級產(chǎn)品，可幫助設(shè)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(yīng)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(shè)計師。

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(shè)計的寄生效應(yīng)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(yīng)用設(shè)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(yīng)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(yīng)用）對接。

在簡化設(shè)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(shè)計師了解解決方案的運作情況和制定重要決策。參考設(shè)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(yīng)用中。我們對所有領(lǐng)域的深度支持能夠幫助客戶設(shè)計出盡可能高效的GaN 電源系統(tǒng)。

圖7.GaN 逆變器。100kHz 3 級設(shè)計。

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(yīng)用都有重要影響，尤其是據(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(yīng)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(yīng)用，其他類型的應(yīng)用也將快速跟進。

因而電源系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用的參考設(shè)計也在穩(wěn)步增加。當(dāng)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。

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 實時 MCUs

●   白皮書：GaN 和SiC 支持實現(xiàn)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