四種將被氮化鎵革新電子設計的中壓應用

引言

隨著技術的迅速發(fā)展，人們對電源的需求亦在不斷攀升。為了可持續(xù)地推動這一發(fā)展，太陽能等可再生能源被越來越多地用于電網(wǎng)供電。同樣，為了實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)存儲以及人工智能(AI)，服務器的需求也在呈指數(shù)級增長。鑒于這些趨勢，設計人員面臨著一項重大挑戰(zhàn)：如何在持續(xù)提升設計效率的同時，在相同的尺寸內(nèi)實現(xiàn)更高的功率。

這一挑戰(zhàn)已經(jīng)推動了氮化鎵(GaN)在高壓電源設計中的廣泛應用，原因在于GaN具有兩大優(yōu)勢：

●   提高功率密度。GaN的開關頻率較高，使設計人員能夠使用體積更小的無源器件（如電感器和電容器），從而縮小電路板的尺寸。

●   提升效率。相較于硅設計，GaN出色的開關和導通損耗性能可將損耗降低 50% 以上。

除了業(yè)界已經(jīng)采用的高壓 GaN（額定值>=600V）外，新的中壓GaN解決方案（額定值80V-200V）也日益受到歡迎，可在高壓GaN之前無法支持的電源系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的功率密度和效率。

這篇文章將詳述四個主要的中壓應用領域，這些領域正在逐漸采用 GaN 技術。

應用領域1：太陽能

太陽能是發(fā)展最快的可再生能源，從2021年到2022年增長了26%，預計在未來七到八年內(nèi)，太陽能利用將以約11.5%的復合年增長率發(fā)展。隨著太陽能電池板安裝數(shù)量的增加，人們對系統(tǒng)效率和功率密度的需求也將隨之增長，因為這是一種對空間需求較高的技術。?對于太陽能電池板子系統(tǒng)而言，LMG2100R044和LMG3100R017器件有助于將系統(tǒng)尺寸縮小40%以上。

太陽能主要通過太陽能電池板的兩種子系統(tǒng)得以實現(xiàn)：一種是升壓級后跟逆變器級，將直流電壓范圍轉(zhuǎn)換為交流電壓（如圖1所示）；另一種是降壓和升壓級，其中電源優(yōu)化器將不斷變化的直流電壓轉(zhuǎn)換為常見的直流電壓電平（利用最大功率點跟蹤），以輸送到串式逆變器（如圖2所示）。

圖1 微型逆變器框圖

圖2 電源優(yōu)化器框圖

應用領域2：服務器

考慮到我們?nèi)蕴幵谌斯ぶ悄芨锩某跗陔A段，為了運行復雜的機器學習算法并實現(xiàn)更大、更復雜數(shù)據(jù)集的存儲，服務器的需求將呈指數(shù)級增長。要求每個級的效率高于 98% 的高密度設計將能夠滿足這些增強型處理和存儲需求。

如圖3所示，服務器電源應用中的三個主要系統(tǒng)可以采用 100V 至 200V 的 GaN：

●   電源單元(PSU)。開放計算項目的變化正在提升48V輸出的熱度；然而，所需80V和100V硅解決方案的損耗（柵極驅(qū)動和重疊損耗）相較于以前的解決方案有大幅增長。諸如LMG3100等GaN解決方案有助于盡可能減小電感-電感-電容器級（LLC 級）次級側(cè)同步整流器中的上述損耗。

●   中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)。此系統(tǒng)將PSU輸出的中間電壓(48V)轉(zhuǎn)換為較低的電壓，然后傳送至服務器。隨著48V電壓電平的流行，IBC有助于減少服務器子系統(tǒng)中的I2R損耗，并使匯流條和電力傳輸線的尺寸和成本都得到降低。IBC的缺點是其在電源轉(zhuǎn)換中又增加了一步，可能會對效率產(chǎn)生影響。因此，除了OEM經(jīng)測試可獲得高效率和高功率密度最佳組合的幾種新拓撲外，請務必充分利用LMG2100和LMG3100等高效GaN器件。

●   電池備份單元。降壓/升壓級通常將電池電壓(48V)轉(zhuǎn)換為總線電壓(48V)。當市電線路斷電且電力流為雙向時，您也可以使用電池備份單元進行電池電源轉(zhuǎn)換。不間斷電源之所以使用此級，是因為它僅通過電池直接執(zhí)行一次直流/直流轉(zhuǎn)換，避免了由直流/交流/直流轉(zhuǎn)換引起的損耗。

圖3 服務器電源框圖

應用領域3：電信電源

在電信無線電設備中，電源有可能采用GaN設計。由于無線電設備通常安置在戶外，僅依賴自然冷卻，因此高效率顯得尤為重要。此外，隨著移動網(wǎng)絡（如 5G、6G）的逐步發(fā)展，加快網(wǎng)絡速度和數(shù)據(jù)處理的需求也在增加，因此需要具有極低損耗的高密度設計。LMG2100有助于將此類設計的功率密度提高40%以上。

在典型的中壓應用中，GaN將負電池電壓電平（通常為 -48V）的電源，利用反向降壓/升壓或正向轉(zhuǎn)換器拓撲轉(zhuǎn)換為適用于功率放大器的+48V電源，或者利用降壓轉(zhuǎn)換器拓撲為現(xiàn)場可編程門陣列和其他直流負載供電。

應用領域 4：電機驅(qū)動

沒錯，您可以在電機驅(qū)動電路中使用GaN，其應用領域廣泛，包括機器人、電動工具驅(qū)動以及兩輪牽引逆變器設計等負載曲線不同的應用。GaN的零反向恢復特性（因為不存在體二極管）導致二極管反向偏置電流沒有穩(wěn)定時間，從而降低了死區(qū)損失，提高了效率。如前所述，GaN的開關頻率更高，電流紋波更低，這樣就可以減小無源器件的尺寸，從而實現(xiàn)更平滑的電機驅(qū)動設計。

圖4展示了如何在電機驅(qū)動單元中添加GaN。

圖4 電機驅(qū)動單元框圖

結(jié)語

在各種中壓應用中，GaN有潛力取代傳統(tǒng)的硅FET。100V至200V GaN的其他應用領域包括通用直流/直流轉(zhuǎn)換、D類音頻放大器，以及電池測試和化成設備。此外，GaN還能提供更高的開關頻率和更低的功率損耗，這些優(yōu)勢在簡化電源設計的集成電源級中尤為突出。