【導(dǎo)讀】勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)[1]在2016年所做的一項(xiàng)研究表明,2020年美國數(shù)據(jù)中心將要消耗的能源預(yù)計(jì)會達(dá)到730億千瓦時(shí)——這是一個(gè)天文數(shù)字。只要我們對計(jì)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(yùn)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(shí),電信、工業(yè)自動(dòng)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(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(gè)行業(yè)制造工藝的改進(jìn)和采用率的增加,挑戰(zhàn)逐漸集中到實(shí)施和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。要實(shí)現(xiàn)更高的效率,不僅需要用GaN替換硅,因?yàn)槟壳暗募夹g(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(jì)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(jì)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(jī)會。
德州儀器(TI)是推動(dòng)GaN開發(fā)和支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用這項(xiàng)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(shè)計(jì),致力于幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師節(jié)省空間、取得更高電源效率及簡化設(shè)計(jì)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(shí)施問題,使客戶得以設(shè)計(jì)高能效系統(tǒng),建設(shè)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(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(gè)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(shí)用冷卻方案。
圖1.比較GaN vs. Si的設(shè)備損耗
另外,高頻工作對解決方案成本有積極影響,這是因?yàn)樽儔浩骱碗姼衅鞯缺匾旁捏w積、重量和所需材料都有所減少。
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(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)等低壓電氣設(shè)備供電或充電,而這通常通過幾個(gè)功率級實(shí)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48 V 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(hù)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(fù)載點(diǎn)(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(gè)直流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?nèi)匀皇褂肞FC、DC/DC和POL,但是它們的實(shí)施或使用的電源拓?fù)溆兴煌?,?jīng)過優(yōu)化的電源拓?fù)淇筛蟪潭劝l(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?fù)洌瑥亩鴮?shí)現(xiàn)獨(dú)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(jì)卻無法做到這一點(diǎn)。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?fù)?/div>
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(diǎn)在于把功率密度提高了50%,將開關(guān)頻率提升了一個(gè)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(jì)所采用的變壓器要小六分之一。
圖4.GaN LLC拓?fù)?/div>
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(dá)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(shí)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(jì)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(gè)POL級到單級
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6.實(shí)際和潛在的 GaN應(yīng)用領(lǐng)域
電機(jī)和電機(jī)控制
在機(jī)器人領(lǐng)域和其他工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)中,尺寸和電源效率十分關(guān)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(diào)制(PWM)頻率并降低開關(guān)損耗,這有助于驅(qū)動(dòng)極低電感的永久磁性和無刷直流電機(jī)。這些特性還使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小化,從而在伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)器中實(shí)現(xiàn)精確定位,支持高速電機(jī)在無人機(jī)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電壓。
LiDAR
對寬度日益趨窄的要求,迅速使得GaN FET和驅(qū)動(dòng)器成為LiDAR的必備元件,雖然LiDAR也用于機(jī)器人、無人機(jī)、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(yuǎn)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(xiàn)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(hù)了眼睛的安全。
圖7.GaN逆變器,100kHz 3級設(shè)計(jì)
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?yàn)槿魏螣o用頻率的諧波都會導(dǎo)致人耳可聽頻帶。GaN化解了這個(gè)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(shí)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)。
通過GaN設(shè)計(jì)更佳解決方案
由于高頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn),即使老練的電源設(shè)計(jì)師也要經(jīng)受考驗(yàn),但如果有現(xiàn)成的解決方案就可以顯著縮短設(shè)計(jì)周期。TI 供應(yīng)完整的電源級產(chǎn)品,可幫助設(shè)計(jì)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(hù)功能。另外,TI的GaN FET驅(qū)動(dòng)器和可以與該驅(qū)動(dòng)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(jì)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)過優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器,通過獨(dú)立的組件把影響高速設(shè)計(jì)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(hù),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(jì)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(dòng)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(shí)時(shí)微控制器,用于音響和電機(jī)控制應(yīng)用)對接。
圖9.LMG5200:80 V/10 A GaN半橋電源級
在簡化設(shè)計(jì)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(jì)師了解解決方案的運(yùn)作情況和制定重要決策。參考設(shè)計(jì)則提供可靠的現(xiàn)成電路,可用于雷達(dá)、汽車、不間斷電源(UPS)、電機(jī)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(jì)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(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(shí)現(xiàn)的節(jié)省對所有應(yīng)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(yùn)行有助進(jìn)行精確的電機(jī)控制和為LiDAR及音響應(yīng)用提供更高分辨率。隨著創(chuàng)新拓?fù)浜托路椒ǖ陌l(fā)明與應(yīng)用,其他類型的應(yīng)用也將快速跟進(jìn)。
因而電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新,我們在不斷開發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)。集成化解決方案節(jié)約了開發(fā)時(shí)間并且可以隨時(shí)利用,同時(shí)我們針對廣泛應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)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。
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