【導讀】勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)[1]在2016年所做的一項研究表明，2020年美國數據中心將要消耗的能源預計會(huì )達到730億千瓦時(shí)——這是一個(gè)天文數字。只要我們對計算密集型數據服務(wù)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(huì )是必然趨勢。
而這種能源使用情況僅代表數據中心。其實(shí)，電信、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)和許多其他系統也同樣需要提供高密度的電源系統。
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(shù)。與傳統的硅解決方案相比，GaN在開(kāi)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(kāi)關(guān)電源中時(shí)，可高效供電，將效率提高到前所未有的高度。進(jìn)而幫助最終用戶(hù)從根本上節約能源、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(zhù)挑戰。過(guò)去，這些挑戰與制造和提供高質(zhì)量、可靠GaN的能力相關(guān)。然而，隨著(zhù)整個(gè)行業(yè)制造工藝的改進(jìn)和采用率的增加，挑戰逐漸集中到實(shí)施和系統設計上。要實(shí)現更高的效率，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(kāi)關(guān)頻率并把功耗降至更低的能力。
這些新的設計挑戰為最終產(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(huì )。
德州儀器(TI)是推動(dòng)GaN開(kāi)發(fā)和支持系統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，致力于幫助系統設計師節省空間、取得更高電源效率及簡(jiǎn)化設計流程。TI新穎的解決方案不僅可以?xún)?yōu)化性能，而且攻克了具有挑戰性的實(shí)施問(wèn)題，使客戶(hù)得以設計高能效系統，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(shí)間、低導通電阻、低柵電容和輸出電容，無(wú)不降低了開(kāi)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(gè)數量級。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(jiǎn)了實(shí)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(kāi)關(guān)模式電源。
AC/DC電源的目標是要把AC線(xiàn)路電源轉化為較低電壓，為手機或個(gè)人計算機等低壓電氣設備供電或充電，而這通常通過(guò)幾個(gè)功率級實(shí)現。第一級是普通電源，包括供電AC線(xiàn)路電源，它通過(guò)功率因數校正(PFC)級產(chǎn)生DC總線(xiàn)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(chēng)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(diǎn)(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(gè)直流轉換器，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(jìn)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(diǎn)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(shí)施或使用的電源拓撲有所不同，經(jīng)過(guò)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解決方案能縮小規模，提高效率
PFC級（圖3）使用高效率圖騰柱拓撲，從而實(shí)現獨一無(wú)二的高功率密度、高效率和低功耗組合，而類(lèi)似的基于硅的設計卻無(wú)法做到這一點(diǎn)。與使用硅的傳統二極管橋式升壓PFC相比，此級的效率超過(guò)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(diǎn)在于把功率密度提高了50%，將開(kāi)關(guān)頻率提升了一個(gè)數量級。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(kāi)關(guān)屬性，使48 V高效硬開(kāi)關(guān)轉換器直接達到1 V。大多數硅解決方案需要中間第四級將48 V轉換為12 V，但GaN可實(shí)現真正的單級轉換，直接轉換為1 V。通過(guò)這種方式，基于GaN的設計可將元件數量減少一半，并將功率密度提高三倍(圖5)。
圖5.兩個(gè)POL級到單級
滿(mǎn)足一系列應用要求
GaN的優(yōu)勢不僅限于A(yíng)C/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。
圖6.實(shí)際和潛在的 GaN應用領(lǐng)域
電機和電機控制
在機器人領(lǐng)域和其他工業(yè)應用的電機中，尺寸和電源效率十分關(guān)鍵，但其他因素同樣也會(huì )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(kāi)關(guān)損耗，這有助于驅動(dòng)極低電感的永久磁性和無(wú)刷直流電機。這些特性還使轉矩波動(dòng)更小化，從而在伺服驅動(dòng)器和步進(jìn)器中實(shí)現精確定位，支持高速電機在無(wú)人機等應用中實(shí)現高電壓。
LiDAR
對寬度日益趨窄的要求，迅速使得GaN FET和驅動(dòng)器成為L(cháng)iDAR的必備元件，雖然LiDAR也用于機器人、無(wú)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(dòng)駕駛車(chē)輛的傳感聯(lián)系起來(lái)。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(shí)現了更高的峰值輸出光功率，這在提高成像分辨率的同時(shí)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(kāi)關(guān)波形來(lái)減少失真，這是因為任何無(wú)用頻率的諧波都會(huì )導致人耳可聽(tīng)頻帶。GaN化解了這個(gè)問(wèn)題，它能在高得多的壓擺率下高效開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)行為可預測性較高，極大減少了諧波失真，實(shí)現了更理想的音響性能，將噪音限制在更高的不可聽(tīng)的頻帶內。
通過(guò)GaN設計更佳解決方案
由于高頻電源系統設計帶來(lái)了新的挑戰，即使老練的電源設計師也要經(jīng)受考驗，但如果有現成的解決方案就可以顯著(zhù)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(wèn)題大大簡(jiǎn)化。我們現有的解決方案能夠滿(mǎn)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(dòng)器和可以與該驅動(dòng)器無(wú)縫配對的高頻模擬與數字控制器，共同有力支持了利用基礎元件構建電源系統的設計師。
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(gè)模塊中組合了一個(gè)70 mΩ、600 V GaN FETs和一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的驅動(dòng)器，通過(guò)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(dòng)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）和數字控制器（如TI的C2000TMTM實(shí)時(shí)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(jiǎn)化設計的過(guò)程中，幾乎與產(chǎn)品本身同等重要的是一整套開(kāi)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成電路，可用于雷達、汽車(chē)、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(hù)設計出盡可能高效的GaN電源系統。
今天的GaN立足于未來(lái)
GaN技術(shù)已經(jīng)在縮減系統規模和提高電源效率方面扮演著(zhù)重要角色。該技術(shù)實(shí)現的節省對所有應用都有重要影響，尤其是數據中心、基站和其他高密度系統。另外，GaN的高頻運行有助進(jìn)行精確的電機控制和為L(cháng)iDAR及音響應用提供更高分辨率。隨著(zhù)創(chuàng )新拓撲和新方法的發(fā)明與應用，其他類(lèi)型的應用也將快速跟進(jìn)。
因而電源系統設計師不必再等待GaN革命的爆發(fā)。GaN解決方案就在今天，TI 在竭力并持續推動(dòng)這項技術(shù)的創(chuàng )新，我們在不斷開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)。集成化解決方案節約了開(kāi)發(fā)時(shí)間并且可以隨時(shí)利用，同時(shí)我們針對廣泛應用的參考設計也在穩步增加。當下對電源效率的需求越來(lái)越緊迫，TI 技術(shù)和解決方案繼續保持領(lǐng)先的創(chuàng )新，幫助世界變得更智能、更環(huán)保。
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