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
-
發(fā)動機
+關(guān)注
關(guān)注
33文章
2421瀏覽量
69012 -
混合動力車
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
33瀏覽量
10846 -
LLC轉(zhuǎn)換器
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
14瀏覽量
7150 -
GaN器件
+關(guān)注
關(guān)注
1文章
35瀏覽量
7867
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論