基于增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN?技術(shù)）的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

來(lái)源：Alex Lidow，David Reusch，John Glaser

人類社會(huì)對(duì)信息的需求正以前所未有的速度增長(zhǎng)。隨著諸如云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這些新興技術(shù)的發(fā)展，更快地接觸更多的信息這一趨勢(shì)并未顯示任何放緩跡象。高速率傳輸信息成為可能得益于機(jī)架和服務(wù)器機(jī)架，它們多數(shù)處于集中式數(shù)據(jù)中心。

2014年，數(shù)據(jù)中心（設(shè)在美國(guó)）所消耗的能量約為1000億千瓦時(shí)（kWh），而國(guó)家科學(xué)研究開(kāi)發(fā)公司（NRDC）預(yù)計(jì)到2020年，數(shù)據(jù)中心電力消費(fèi)量每年將增至約1400億千瓦時(shí)，相當(dāng)于50個(gè)發(fā)電站的年產(chǎn)量。

支持這一快速增長(zhǎng)需求所需電力來(lái)自我們的電網(wǎng)，并經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換階段，然后其才真正地將剩余能量饋進(jìn)數(shù)字半導(dǎo)體芯片。圖1所示為這一“旅程”的圖解。該圖中還顯示由傳輸和電力轉(zhuǎn)換造成的損失 – 從發(fā)電廠到所有工作的計(jì)算機(jī)芯片。

將這些效能數(shù)字相乘顯示，電網(wǎng)需要提供150瓦功率以滿足可能僅需要100瓦的數(shù)字芯片的需求。因此，在整個(gè)美國(guó)，由于服務(wù)器用電源轉(zhuǎn)換造成的總浪費(fèi)電量為330億千瓦時(shí)，這幾乎相當(dāng)于十幾個(gè)發(fā)電廠產(chǎn)出的電量。但是，服務(wù)器場(chǎng)中浪費(fèi)的總電量更多，因?yàn)橥ㄟ^(guò)電源轉(zhuǎn)換的每瓦功率損耗實(shí)際上是被轉(zhuǎn)換成熱能的能量，而除去該熱能需要更多功率。

圖1：現(xiàn)代服務(wù)器場(chǎng)中使用的典型多級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)，它從電網(wǎng)中汲取150瓦的功率，為服務(wù)器中使用的數(shù)字處理器提供100瓦的電能。

然而，電網(wǎng)已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，基于二戰(zhàn)后開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體技術(shù)已構(gòu)建轉(zhuǎn)換的各個(gè)階段。這些半導(dǎo)體基于硅晶體，正是硅的性能和局限性形成了圖1所示架構(gòu)。

在本文中，我們將演示基于增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN?技術(shù)）的電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，其現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心和集中于低至1VDC負(fù)載電壓的48 VDC輸入電壓所用的電信架構(gòu)解決方案。我們將探討高性能GaN功率晶體管的能力，以使用新方法以更高效率和更高功率密度為功率數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)提供電源。此方法在效率和功率密度方面都比先前的基于Si MOSFET的架構(gòu)更高。

從48 VIN– 1 VOUT直接獲取

自采用12 V中間總線架構(gòu)（IBA）以來(lái)，此總線轉(zhuǎn)換器在輸出功率中正接近數(shù)量級(jí)的提高。在型電源模塊足跡中，現(xiàn)行設(shè)計(jì)從約100W增至約1千瓦。這意味著至POL轉(zhuǎn)換器的12V總線上的電流量以10的系數(shù)增加，而且不用降低總線電阻，隨后的總線傳導(dǎo)損耗中會(huì)以2的數(shù)量級(jí)增加。相比傳統(tǒng)的IBA系統(tǒng)中的硅基解決方案，GaN基技術(shù)的解決方案已證明其效率顯著提高。

然而，隨著48 VIN總線轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換損耗不斷增加，主板上不斷攀升的12V總線損及GaN技術(shù)更高的性能，現(xiàn)可考慮不同的體系結(jié)構(gòu)，如使用非隔離型POL轉(zhuǎn)換器從48 VIN直接進(jìn)入負(fù)載，如圖2底部所示。

圖2：中間總線架構(gòu)（IBA）和直接轉(zhuǎn)換DC總線結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)型降壓轉(zhuǎn)換器可作為第一種方法來(lái)評(píng)估將48 VIN直接轉(zhuǎn)換為1 VOUT。降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，而且是絕大多數(shù)現(xiàn)有12 VIN系統(tǒng)采用的做法。對(duì)于48 V輸入，在EPC9041演示板中嵌入的80V eGaN單片式半橋集成電路（EPC2105）可選定用于具有更高降壓比的應(yīng)用。TI采用的第二種方法是將48 VIN直接轉(zhuǎn)換到1 VOUT，其采用基于變壓器的設(shè)計(jì)來(lái)提高轉(zhuǎn)換器效率。一個(gè)基于LMG5200 GaN的半橋被用于48 VIN輸入側(cè)，而四個(gè)30 V EPC2023 eGaN FET被用于低電壓輸出側(cè)。

兩種48 VIN至1 VOUT設(shè)計(jì)的高效率和功率密度如圖3所示。降壓轉(zhuǎn)換器的效率是整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系的效率，包括電感器（Würth Elektronik 744 301 033）、電容器和印刷電路板損失。在300kHz的開(kāi)關(guān)頻率條件下，可實(shí)現(xiàn)84％的最高效率，而在20 A條件下，實(shí)現(xiàn)的效率約為83.5％。降壓構(gòu)件（不包括控制器）的功率密度約為300 W/in3。對(duì)于600 kHz條件下操作的基于變壓器的方法，可實(shí)現(xiàn)超過(guò)90％的效率，而在50 A輸出電流條件下，可實(shí)現(xiàn)近88％的效率。對(duì)于基于變壓器的構(gòu)件（不包括控制器），功率密度為約80 W/in3。

圖3：基于eGaN POL轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度，VIN = 48 V至VOUT = 1V。

使用圖4所示的基于GaN技術(shù)的最佳設(shè)計(jì)，對(duì)比單級(jí)48 VIN至1 VOUT的POL轉(zhuǎn)換器和傳統(tǒng)兩級(jí)IBA法的預(yù)計(jì)效率和功率密度，并在表1總結(jié)（硅基解決方案遠(yuǎn)不及這些基于GaN技術(shù)的解決方案有效）。基于GaN集成電路的IBA電源轉(zhuǎn)換器比基于降壓的方法的48 VIN?1 VOUT直接轉(zhuǎn)換預(yù)計(jì)會(huì)有1.5％的效率提升。然而，當(dāng)12V總線的損失增加約2%時(shí)，總體系統(tǒng)效率極其相似。傳統(tǒng)IBA法和48 VIN直接轉(zhuǎn)換基于降壓的方法也有類似的功率密度。對(duì)于48 VIN基于變壓器的方法，系統(tǒng)效率比傳統(tǒng)IBA法高出7％，該系統(tǒng)具有低功率密度，比常規(guī)IBA基于GaN的方法低約三分之一。

DC總線架構(gòu)還具有潛在的成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镮BC的成本可省去。而48 VIN POL轉(zhuǎn)換器與12 VIN POL轉(zhuǎn)換器相比，增加的成本將降至最低，因?yàn)樗鼈兪褂玫碾娫囱b置、控制器和驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)量類似。

圖4：基于GaN技術(shù)的48 VIN中間總線架構(gòu)和48 VIN DC總線架構(gòu)的性能對(duì)比

（a） 縮放到500瓦的輸出功率。

表1：48 VIN中間總線架構(gòu)和48 VIN DC總線架構(gòu)的性能對(duì)比總結(jié)

圖5中，我們?cè)诨趀GaN FET和集成電路的設(shè)計(jì)中應(yīng)用單級(jí)效率的同時(shí)需要重新查看圖1內(nèi)容。通過(guò)省去服務(wù)器場(chǎng)電源架構(gòu)末級(jí)所獲得的直接節(jié)省電能不僅降低了成本，而且還降低7%到15%不等的功耗，這取決于基于GaN的方法。與硅基解決方案對(duì)比時(shí)，這關(guān)聯(lián)到每年直接節(jié)約的多達(dá)210億千瓦時(shí)的電能。當(dāng)服務(wù)器場(chǎng)中的空調(diào)能源成本增加時(shí)，還可節(jié)約更多電能，僅在美國(guó)可將總節(jié)約電能降至服務(wù)器所耗1400億千瓦時(shí)的近25％。

結(jié)論

當(dāng)今美國(guó)服務(wù)器場(chǎng)中可能的節(jié)省電能所造成的影響甚至比后硅世界中eGaN技術(shù)的影響更大，而此影響的一個(gè)示例是這一新興技術(shù)可有效使用電力。eGaN技術(shù)為更高性能的半導(dǎo)體提供了一個(gè)途徑，重新開(kāi)啟了推動(dòng)創(chuàng)新的摩爾定律的可能性——就像摩爾定律超出常規(guī)一樣。例如，eGaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了許多新應(yīng)用，如無(wú)線電力傳輸、5G蜂窩技術(shù)、自主車輛和結(jié)腸鏡檢查丸劑。而且，隨著電子行業(yè)在固有屬性中獲得的高性能功能能力的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，由此產(chǎn)生的高性能eGaN半導(dǎo)體設(shè)備將實(shí)現(xiàn)很多不可預(yù)見(jiàn)的應(yīng)用，就像二戰(zhàn)后時(shí)代帶來(lái)的此應(yīng)用的前身——硅。

eGaN?FET是Efficient Power Conversion公司的注冊(cè)商標(biāo)。

一般參考

［1］ D. REUSCH和J.Glaser，DC-DC轉(zhuǎn)換器手冊(cè)，電源轉(zhuǎn)換出版物，2015年
編輯：hfy