解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方案是重新構建數據中心系統，從原來(lái)背板上面分布式12V電源變到現在48V電源。就在最近，2016年3月份，美國的谷歌公司宣布將會(huì )加入開(kāi)放計算項目，貢獻該公司自2012年以來(lái)在使用48V分布式電力系統方面的知識和經(jīng)驗。這在解決問(wèn)題的同時(shí)又產(chǎn)生了一個(gè)新的挑戰：對于通信和數據卡的電力設計師們，他們如何能在48V供電直直變換器中實(shí)現更高的效率，更小的體積，同時(shí)提高電源的功率等級呢？

 

在當今的架構中，通過(guò)采用12V的背板，工業(yè)界能夠使用具有非常好的品質(zhì)因數特性的40V MOSFET 來(lái)滿(mǎn)足高開(kāi)關(guān)頻率，傳輸高效率以及高功率密度。采用48V背板迫使直直變換器設計師們使用100V MOSFET，因為它們具有更高的品質(zhì)因數，因此本質(zhì)上導致了效率的降低。然而，100V增強型氮化鎵晶體管可以滿(mǎn)足直直變換器設計師對于傳輸更高效率，更高頻率方案的要求和挑戰。如表1所示，品質(zhì)因數值對比。

 

 

從表1中可以看到，相對比于40V MOSFET，100V MOSFET 的品質(zhì)因數值增加了2.3倍，門(mén)極驅動(dòng)功耗增加了2.4倍。然而，100V氮化鎵增強型功率晶體管卻顯示出格外好的開(kāi)關(guān)性能，其品質(zhì)因數值甚至比40V MOSFET還要小。這些可以使得48V高功率密度通信處理電源在直直變換器架構中達到高效率和高開(kāi)關(guān)頻率的要求。

 

基于氮化鎵晶體管48V→12V直直變換器設計

 

為了對比氮化鎵技術(shù)和硅技術(shù)的實(shí)際性能，本文采用氮化鎵晶體管設計了一個(gè)48V轉12V直直變換器。在測試過(guò)程中，選擇了加拿大氮化鎵系統公司(GaN Systems)的晶體管GS61008P。該器件卓越的電氣特性可幫助實(shí)現高開(kāi)關(guān)頻率和高效率。其嵌入式封裝技術(shù)，GaNPX?，使得封裝上面具有很低的電感，并實(shí)現整體很低的環(huán)路電感，進(jìn)而減少噪聲，損耗，提高了效率。

 

 

在熱性能方面，該變換器不需要散熱片。GS61008P具體非常低的熱阻抗0.55°C/W，實(shí)現了低溫運行。據氮化鎵系統公司推薦，兩個(gè)晶體管下面都設置了一些過(guò)孔，從而幫助把熱量傳導到地線(xiàn)層。在運行電流10A，室溫25°C，氣流強度為500LFM條件下，上下兩個(gè)晶體管的結溫分別是43°C和42°C。

 

GS61008P氮化鎵增強型晶體管門(mén)極最佳工作電壓VGS為0V (關(guān)) 到 6V (開(kāi))。在門(mén)極驅動(dòng)方面，氮化鎵系統公司技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是門(mén)極驅動(dòng)很簡(jiǎn)單并且具有寬操作范圍。從器件數據表可以看到，門(mén)極工作電壓推薦值范圍是0-6V，但是最高可以工作在7V DC，可以容許尖鋒電壓到10V。這種簡(jiǎn)單的門(mén)極驅動(dòng)方式可以允許使用多種門(mén)極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)器件，在對器件不產(chǎn)生破壞的條件下，對于門(mén)極電壓上的紋波和噪聲有一定的耐受性。

 

采用氮化鎵晶體管的48V直直變換器最重要的設計考慮因素之一是當一個(gè)晶體管關(guān)斷另一個(gè)晶體管開(kāi)通時(shí)要減少死區時(shí)間。這是因為在氮化鎵增強型晶體管中沒(méi)有內在的寄生體二極管，也不需要體二極管。當氮化鎵晶體管被迫進(jìn)行反向導通時(shí)，反向電壓可以達到-2V或者更高。因此，死區時(shí)間內的導通損耗會(huì )比較大。電源設計師可能考慮給氮化鎵晶體管并聯(lián)一個(gè)二極管，但是并不需要這樣做，并聯(lián)二極管可能會(huì )降低效率，且由于反向恢復電荷Qrr而增加噪聲。氮化鎵增強型晶體管因為沒(méi)有體二極管，具有更高的反向電壓，但是氮化鎵晶體管因為沒(méi)有反向恢復電荷Qrr可以節省功耗，對于通信系統來(lái)說(shuō)，降低噪聲和EMI可能更加重要。圖3所示為死區時(shí)間，Td，約20ns。

 

 

為了研究門(mén)極驅動(dòng)電壓和死區時(shí)間對于效率產(chǎn)生的影響，對圖2所示的電路進(jìn)行了仿真，因此可以改變不同的參數。輸出功率設置為240W (12V, 20A)，門(mén)極驅動(dòng)電壓和死區時(shí)間為變量。從表2中結果可以看到GS66108P最理想的操作條件(最高效率)是當門(mén)極電壓為6.0V，死區時(shí)間為15ns或者更小的時(shí)候。當把門(mén)極電壓從6V降到5V時(shí)，電路額外消耗0.26W功耗，導致效率降低了0.1%。從另一方面死區時(shí)間來(lái)看，死區時(shí)間影響更大，使功耗增加了0.78W，效率降低了0.3%。這些數字可能看起來(lái)很小，但是當爭取更高的整機效率，采用這種卓越的氮化鎵技術(shù)工作，理解如何優(yōu)化操作時(shí)就顯得格外重要。

 

在這個(gè)設計當中，采用了德州儀器的LM5113氮化鎵驅動(dòng)器，雖然它只支持門(mén)極電壓5.0V。LM5113的一個(gè)特點(diǎn)是它具有分開(kāi)的輸出引腳HOH和HOL，允許開(kāi)通方向使用更高的開(kāi)通門(mén)極電阻，關(guān)斷方向使用更低的關(guān)斷門(mén)極電阻。因為氮化鎵晶體管的門(mén)限電壓大約是1.5V，使用兩個(gè)不同的門(mén)極電阻可以幫助完美控制開(kāi)通和關(guān)斷波形，并且使用更小的關(guān)斷電阻可以幫助控制米勒效應，確保電路下方的晶體管在關(guān)斷過(guò)渡期不會(huì )錯誤地開(kāi)通。這個(gè)驅動(dòng)器的另一個(gè)特點(diǎn)是具有相對短的死區時(shí)間，大約25-45ns，很好地匹配了從下方晶體管開(kāi)通到上方晶體管關(guān)斷的死區時(shí)間8ns。

 

很快，具有更高驅動(dòng)電壓(6.0V)和更小延遲時(shí)間(15ns)的產(chǎn)品將會(huì )發(fā)布。UPI半導體公司在不久將來(lái)將會(huì )發(fā)布這一產(chǎn)品uP1964。它使得驅動(dòng)電壓優(yōu)化為6V，13.5nS延遲時(shí)間，5ns上升時(shí)間，因此未來(lái)將會(huì )提供甚至更高的效率。2014年，氮化鎵晶體管從氮化鎵系統公司(GaN Systems)涌現到市場(chǎng)，很多公司認識到采用氮化鎵以達到更高效率的需求，已經(jīng)設計了更優(yōu)化的驅動(dòng)器應用在這些晶體管當中。

 

實(shí)驗結果

 

本文設計并測試了圖2中的參考電路，在不同的工作點(diǎn)下測量了效率。圖4描述了采用這一設計的測試結果，同時(shí)對比了另一相似參考設計電路中使用100V硅材料MOSFET在300kHz工作條件下的效率。

 

圖4清晰表明，在300kHz時(shí)，氮化鎵的效率比評價(jià)很高的100V硅材料MOSFET還要高出很多。這是因為氮化鎵晶體管更好的品質(zhì)因數，沒(méi)有反向恢復電荷Qrr損耗，以及非常低的門(mén)極驅動(dòng)損耗。在48V系統中使用100V器件，采用氮化鎵晶體管會(huì )取得最高的效率。

 

在300 kHz下開(kāi)始測試效率，采用10uH Coilcraft電感，型號為SER2918H-103。然后頻率被調節為1MHz，2uH Coilcraft電感，大約體積比之前縮小5倍。這些表明設計更高功率密度的直直變換器同時(shí)仍然可以達到很高的效率。最后，測試了2MHz，依然取得很高效率，穩定的設計。

 

結論

 

48V數據中心和通信系統將要求直直變換器設計者們學(xué)習如何使用100V晶體管使效率最大化。當在100V甚至40V下對比氮化鎵增強型晶體管和硅材料MOSFET時(shí)，氮化鎵增強型晶體管具有更好的品質(zhì)因數，門(mén)極驅動(dòng)特性，使得設計者們取得高頻率，高功率密度設計，以及非常高的效率等級。

 

 

 

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