為什么GaN FET是LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的最佳選擇

氮化鎵（GaN）器件以最小的尺寸提供了最佳的性能，提高了效率，并降低了48 V電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的系統(tǒng)成本。迅速增長的采納的eGaN的?在大批量這些應(yīng)用FET和集成電路已經(jīng)在高密度計算，以及許多新的汽車動力系統(tǒng)設(shè)計中。在所有具有48 V輸入電壓的拓撲中，使用GaN器件可獲得最高的效率，最小的尺寸和最低的成本。

為了證明GaN器件在48 V應(yīng)用中具有卓越的性能，本文將概述EPC eGaN器件，展示其優(yōu)勢，并考察了兩種48 V應(yīng)用–高性能服務(wù)器和輕度混合動力汽車。最后，除了GaN FET技術(shù)外，還將討論集成ePower?平臺的出現(xiàn)，該平臺是單芯片驅(qū)動器加上eGaN FET半橋電源。

EPC概述

高效功率轉(zhuǎn)換（EPC）是中壓（小于400 V）氮化鎵技術(shù)的公認領(lǐng)導(dǎo)者。自2010年起投入生產(chǎn)，EPC eGaN器件和集成電路已在許多應(yīng)用中采用，包括計算，汽車，工業(yè)，電信，醫(yī)療和航空航天。該產(chǎn)品組合有60多種分立晶體管和IC可供現(xiàn)貨供應(yīng)，其中包括AEC-Q101合格組件的廣泛清單。

圖1（a）是GaN器件與硅MOSFET的比較，表明eGan晶體管在100V電壓下將關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)（面積x RDS（on））提高了五倍。這種改進導(dǎo)致在相同尺寸下尺寸更小，成本更低或RDS（on）更低。此外，在圖1（b）中，第二個重要指標(biāo)RDS（on）x Qg表示GaN在100 V時的開關(guān)速度也比硅好五倍，從而降低了損耗。最后，GaN的零反向恢復(fù)（QRR）和較小的開關(guān)損耗允許頻率增加，從而導(dǎo)致更高的功率密度。

圖1：（a）品質(zhì)因數(shù)，面積x RDS（on）和（b）品質(zhì)因數(shù)，RDS（on）x Qg

GaN器件中的熱管理

盡管GaN器件非常小，但由于我們的eGaN裸片具有出色的熱性能，因此熱管理也不再是問題。在圖2中是熱電阻的情況下，以比較（RΘJC針對可用于MOSFET的絕對最佳熱封裝） -采用DirectFET?。盡管eGaN FET在100 V電壓下要小五倍，但其熱阻卻是同類最佳DirectFET的六倍。這是因為芯片級eGaN管芯不受周圍封裝的約束，并且可以直接通過PCB，管芯頂部以及從管芯側(cè)壁橫向散發(fā)熱量。eGaN FET的較低熱阻可提供令人難以置信的熱性能-適當(dāng)散熱，只有4 mm2芯片僅在25°C或每瓦4°C的溫度上升下就可以耗散6 W的功率。

圖2：熱阻與外殼的比較與可用于MOSFET的絕對最佳熱封裝（直接FET）的比較

服務(wù)器總線分配架構(gòu)

如圖3所示，傳統(tǒng)的服務(wù)器架構(gòu)使用基于機架的48 V隔離和穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為12 V，然后將12 V的負載點轉(zhuǎn)換為CPU或GPU。

圖3：傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)

由于功率的增加，許多服務(wù)器設(shè)計，特別是新超大規(guī)模服務(wù)器和最新一代基于GPU的AI服務(wù)器采用的服務(wù)器設(shè)計，已從服務(wù)器板上的12 V輸入遷移到48 V輸入。

圖4顯示了一種快速興起的服務(wù)器拓撲，其中服務(wù)器板的輸入為48V。輸入電壓的四倍提高了高功率的分配，并提高了效率。從傳統(tǒng)的12V服務(wù)器機架到48V機架的演進將能耗降低了30％以上。

圖4：新興的48 V輸入服務(wù)器主板拓撲

對于48 V機架內(nèi)分配拓撲，其他關(guān)鍵的系統(tǒng)級優(yōu)勢是銅的利用率和分配損耗；對于給定的功率水平和總線橫截面，與12 V設(shè)計相比，48 V系統(tǒng)將配電總線損耗降低了94％。換句話說，在相同的總線損耗下，48 V分配總線可以提供12 V系統(tǒng)功率的四倍。

五伏中間總線架構(gòu)

將功率從48 V轉(zhuǎn)換為POL（負載點）的最有效方法是兩階段轉(zhuǎn)換，中間電壓為12 V或5V。此外，通過連接5 V中間總線，還有一些其他好處通過12 V總線。

通過將中間總線電壓從12 V降低到5 V，技術(shù)可能會發(fā)生變化，從用于POL轉(zhuǎn)換器的功率MOSFET到更高密度的BCDMOS功率級。這些BCDMOS功率級可以達到更高的頻率，從而使負載點更小，并使POL位置更接近GPU或CPU。

距離的減小可將POL與GPU / CPU之間的電阻降低350 μΩ。而且，在1000 A時，損耗降低了350 W！

48 V至5 V中間總線有多種拓撲解決方案。但是，LLC拓撲提供了最佳的系統(tǒng)效率和很高的功率密度。有非常小，486毫米2，300瓦的模塊達到1700 W的/非常高的功率密度在3當(dāng)今市場上，和一個600瓦，936毫米2可用于評估模塊。所有這三個高功率密度模塊都是通過支持1 MHz工作的eGaN器件實現(xiàn)的。

LLC還是更高功率的最佳拓撲。圖5示出了在1/8的1種千瓦LLC溶液個磚尺寸。盡管尺寸緊湊，但預(yù)計滿載效率為98％。

圖5：98％的效率，1千瓦在小于1/8個磚

最新的服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)τ?8 V服務(wù)器需要大于2 kW的輸入功率，而對于AI板則需要高達1 kW的功率。使用1 kW的模塊可以使電源系統(tǒng)設(shè)計工程師減少模塊的數(shù)量，從而優(yōu)化整體系統(tǒng)的尺寸和成本。

數(shù)據(jù)中心48V電源解決方案

總體而言，服務(wù)器中有三種常見的轉(zhuǎn)換器拓撲用于48 V轉(zhuǎn)換為12 V或低至5 V –降壓轉(zhuǎn)換器，LLC和開關(guān)電容器。表1列出了每種產(chǎn)品的相對應(yīng)用范圍。

表1：數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中48 V電源的電源轉(zhuǎn)換解決方案

開關(guān)電容價格便宜，在低于600 W的48 V – 12 V電壓下非常高效，但是這種拓撲結(jié)構(gòu)限制了更高的功率，并且對于48 V – 5 V來說太復(fù)雜了。

降壓器是最便宜，最小的解決方案，適用于高達300 W的48 V至12 V電壓。降壓器和LLC的功率密度均高于開關(guān)電容器。但是，LLC設(shè)計允許48 V至12 V和48 V至5 V的最佳效率都高于600瓦。此外，對于Vin/ Vout比率為8：1或10：1的情況，它也是最佳的拓撲。

為什么GaN FET是LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的最佳選擇

表2比較了100 V eGaN FET和兩個同類最佳的MOSFET。這種比較使eGaN FET處于劣勢，因為正在將80 V MOSFET與100 V eGaN FET進行比較。還應(yīng)注意，與具有類似導(dǎo)通電阻的硅器件相比，GaN FET具有低得多的柵極電荷，無反向恢復(fù)，低輸出電荷，并且體積明顯較小。

表2：EPC 100 V與同類最佳的80 V MOSFET

輕度混合動力汽車– 48 V DC-DC轉(zhuǎn)換器的新興應(yīng)用

到2025年，預(yù)計全球售出的每10輛汽車之一將是48 V輕度混合動力車。在輕度混合動力汽車中使用48 V系統(tǒng)有助于提高燃油效率，在不增加發(fā)動機尺寸的情況下提供四倍的功率，并有助于在不增加系統(tǒng)成本的情況下減少二氧化碳的排放。這些系統(tǒng)將需要一個48 V – 12 V雙向轉(zhuǎn)換器，功率范圍為1 kW至3.5 kW。這些系統(tǒng)的設(shè)計重點是尺寸和成本。

對于48 V汽車總線系統(tǒng)，GaN技術(shù)可提高效率，縮小尺寸并降低系統(tǒng)成本。由于其快速的開關(guān)速度，在3 kW 48 V – 12 V降壓轉(zhuǎn)換器中，基于GaN的解決方案可以以每相250 kHz的峰值效率工作，而傳統(tǒng)MOSFET解決方案則為每相125 kHz。較高的頻率允許較小的電感器值（2.2μH對4.7μH）和較小的電感器DCR（0.7mΩ對1.7mΩ），這導(dǎo)致基于GaN的解決方案具有較小的損耗和較小的尺寸。

eGaN器件帶來的更高效率還可以減少所需的相數(shù)。例如，在3 kW轉(zhuǎn)換器中，較高的頻率和較高的效率導(dǎo)致從五相MOSFET系統(tǒng)減少到四相GaN系統(tǒng)，從而減小了系統(tǒng)尺寸和成本。以250 kHz運行的基于GaN的四相解決方案比以125 kHz運行的五相MOSFET系統(tǒng)小35％，并且成本降低了20％。

與五相MOSFET解決方案相比，EPC GaN FET解決方案具有少一相且開關(guān)頻率加倍的優(yōu)點。圖6顯示，與MOSFET解決方案相比，eGaN FET解決方案在滿載時的功耗降低了15％，在10％負載時的功耗降低了30％。這將使?jié)M載時的功率損耗降低21W。

圖6：五相MOSFET與四相eGaN FET解決方案的48 V – 12 V，3 kW DC-DC功率轉(zhuǎn)換的比較

此外，由于GaN僅用四個相就能完成相同工作的能力，而不是MOSFET解決方案所需的五個相，因此降低了系統(tǒng)成本。費用比較見表3。

表3：用于48 V – 12 V，3 kW DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的五相MOSFET解決方案和四相eGaN FET解決方案的系統(tǒng)成本比較

GaN性能特性可實現(xiàn)系統(tǒng)級改善

例如，表4比較了80 V AEC認證的FET與基準(zhǔn)MOSFET。在此表中，eGaN FET的卓越性能特征顯而易見– RDS（on）降低30％，Qg降低4倍，Qgd降低5倍，Qrr降低一半，且尺寸不到其一半，但僅為10倍將熱量從設(shè)備傳遞到散熱器的熱效率更高。與當(dāng)今汽車中使用的老化的硅功率MOSFET相比，eGaN技術(shù)可提供更高的性能，驚人的可靠性以及更低的成本。

表4：48 V – 12 V，3 kW DC-DC電源轉(zhuǎn)換器的五相MOSFET解決方案和四相eGaN FET解決方案的系統(tǒng)成本比較

集成式ePowerTM平臺

由于GaN是橫向器件，因此很容易集成除分立器件之外的解決方案。EPC產(chǎn)品系列的最新成員是具有超小尺寸的全集成功率級。

所述EPC2152 EPOWER?階段，如圖7所示，是一個單芯片驅(qū)動器加的eGaN FET半橋功率級，從而簡化設(shè)計，布局，組件，節(jié)省PCB上的空間，并提高工作效率。對于電源設(shè)計人員來說，該設(shè)備只是“邏輯輸入，電源輸出”。

圖7：EPC2152 ePower?級單芯片驅(qū)動器以及eGaN FET半橋功率級

該器件非常小，只有10 mm2，最大輸入電壓為80 V，在1 MHz時的最大電流為12.5A。

該GaN IC的集成度提高了效率。圖8顯示了集成eGaN功率級與分立式解決方案之間的效率增益，其中一個驅(qū)動器和兩個eGaN FET在1 MHz和2.5 MHz下工作。綠色曲線是集成的解決方案。藍色曲線是離散解。

圖8：L = 2.2μH和氣流= 800 LFM的單片與離散48 V – 12 V降壓轉(zhuǎn)換器拓撲

對于在1 MHz下從48 V到12 V的情況，該集成解決方案在12.5 A時提供超過96％的峰值效率和高達2％的效率提高。（1）驅(qū)動器與FET的匹配；（2）無寄生柵極環(huán)路，公共源極和電源環(huán)路電感；以及（3）兩個FET的熱平衡。

在2.5 MHz時，改進甚至更大，與分立解決方案相比，集成解決方案可提供至少三倍的額外安培。

在高開關(guān)頻率下，具有極低開關(guān)損耗的eGaN技術(shù)遠遠勝過Si MOSFET解決方案，通常將48 V至12 V轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在1 MHz時的效率限制為91％。

GaN與Si在48 V電壓下的比較……來自前線的更新

回顧了EPC GaN技術(shù)的十年發(fā)展歷程，考察了GaN在高功率密度服務(wù)器和輕度混合動力汽車中的卓越性能，并介紹了集成式GaN ePower?Stage的出現(xiàn)，這是電源領(lǐng)域的最新進展轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計活動可以總結(jié)如下：

對于30 V – 60 V的輸入范圍…與eGaN器件相比，Si沒有性能優(yōu)勢

批量生產(chǎn)100 V – 200 V eGaN FET…與具有相似電壓和RDS（on）的MOSFET相比，價格可比

這些應(yīng)用中的新型服務(wù)器和汽車……電源架構(gòu)將由GaN FET和IC主導(dǎo)

編輯：hfy