GaN 與 Si 在 48 V 下的對比……前線最新消息

氮化鎵 (GaN)器件以最小的尺寸提供最佳性能、提高效率并降低 48 V 電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的系統(tǒng)成本。在這些應(yīng)用中，eGaN ? FET 和 IC 的應(yīng)用迅速增長，已被納入高密度計算以及許多新的汽車電源系統(tǒng)設(shè)計中。在具有 48 V 輸入的所有拓撲中，最高效率、最小尺寸和最低成本來自使用 GaN 器件。

作為 GaN 器件在 48 V 應(yīng)用中的卓越性能的證據(jù)，本文將概述 EPC eGaN 器件，展示其優(yōu)勢，并檢查兩種 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)之外，還將討論集成 ePower? Stage 的出現(xiàn)，即單芯片驅(qū)動器和 eGaN FET 半橋電源。

EPC概覽

Efficient Power Conversion (EPC) 是中壓（低于 400 V）氮化鎵技術(shù)領(lǐng)域公認的領(lǐng)導(dǎo)者。自 2010 年投產(chǎn)以來，EPC eGaN 器件和集成電路已被許多應(yīng)用采用，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)，包括大量符合 AEC-Q101 標(biāo)準的組件。

圖 1(a) 是 GaN 器件與硅 MOSFET 的比較，表明 eGan 晶體管在 100V 時將關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)（Area x R DS(on)提高了五倍）。這種改進導(dǎo)致尺寸更小、成本更低或相同尺寸下的 R DS(on)更低。此外，在圖 1(b) 中，第二個重要的品質(zhì)因數(shù) R DS(on) x Q g表明 GaN 在 100 V 下的開關(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) (Q RR ) 和更低的開關(guān)損耗允許頻率增加，從而導(dǎo)致更高的功率密度。

圖 1：(a) 關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，面積 x R DS(on)和 (b) 品質(zhì)因數(shù)，R DS(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 管芯具有出色的熱性能，因此熱管理問題較少。圖 2 是外殼熱阻(R ΘJC ) 與 MOSFET 可用的絕對最佳熱封裝 - DirectFET ? 的比較。雖然 eGaN FET 在 100 V 時小五倍，但它們的熱阻卻是同類最佳 DirectFET 的六倍。這是因為芯片級 eGaN 管芯不受周圍封裝的限制，可以直接通過 PCB、管芯頂部和管芯側(cè)壁橫向散熱。eGaN FET 較低的熱阻導(dǎo)致令人難以置信的熱性能——適當(dāng)散熱，微小的 4 mm 2 僅 25 °C 或每瓦 4 °C 的溫升，芯片就可以消耗 6 W 的功率。

圖 2：與適用于 MOSFET 的絕對最佳熱封裝（直接 FET）與外殼的熱阻比較

服務(wù)器總線分布架構(gòu)

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

圖 3：傳統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)

由于功率不斷增加，許多服務(wù)器設(shè)計，尤其是新型超大規(guī)模服務(wù)器和最新一代基于 GPU 的 AI 服務(wù)器采用的設(shè)計，正在服務(wù)器板上從 12 V 輸入遷移到 48 V 輸入。

圖 4 顯示了一個快速出現(xiàn)的服務(wù)器拓撲，其中服務(wù)器主板的輸入為 48 V。這個四倍高的輸入電壓簡化了高功率的分配并提高了效率。從傳統(tǒng) 12-V 服務(wù)器機架到 48-V 機架的演變將能源損失減少了 30% 以上。

圖 4：新興的 48 V 輸入服務(wù)器主板拓撲

48 V 機架內(nèi)配電拓撲的其他關(guān)鍵系統(tǒng)級優(yōu)勢是銅線利用率和配電損耗；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，在相同的總線損耗情況下，48 V 配電總線可以提供四倍于 12 V 系統(tǒng)的功率。?

五伏中間總線架構(gòu)

將電源從 48 V 轉(zhuǎn)換為 POL（負載點）的最有效方法是兩級轉(zhuǎn)換，中間電壓為 12 V 或 5 V。此外，通過使用 5 V 中間總線，還有一些額外的好處通過 12 V 總線。

通過將中間總線電壓從 12V 降低到 5V，可以實現(xiàn)從用于 POL 轉(zhuǎn)換器的功率 MOSFET 到更高密度的 BCDMOS 功率級的技術(shù)變革。這些 BCDMOS 功率級可以達到更高的頻率，從而使負載點更小，并允許將 POL 放置得更靠近 GPU 或 CPU。

這種距離的減少可以將 POL 和 GPU/CPU 之間的電阻降低多達 350 μΩ。而且，在 1000 A 時，損耗減少了 350 W！

48 V 至 5 V 中間總線有多種拓撲解決方案。然而，LLC 拓撲提供了最佳的系統(tǒng)效率和非常高的功率密度。當(dāng)今市場上有非常小的 486 mm 2 300 W 模塊，其功率密度達到了 1700 W/in 3的非常高，還有一個 600 W、936 mm 2模塊可供評估。所有這三個高功率密度模塊都由支持 1 MHz 操作的 eGaN 器件實現(xiàn)。

LLC 也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，但它的預(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)用要求 48 V 服務(wù)器的輸入功率大于 2 kW，而 AI 板則需要高達 1 kW 的輸入功率。使用 1 kW 模塊允許電源系統(tǒng)設(shè)計工程師減少模塊數(shù)量以優(yōu)化整體系統(tǒng)尺寸和成本。

數(shù)據(jù)中心48V電源解決方案

總的來說，有三種常見的轉(zhuǎn)換器拓撲可用于將服務(wù)器中的 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 顯示了每個的相對應(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)電容在 48 V – 12 V 電壓低于 600 W 時價格低廉且非常高效，但這種拓撲結(jié)構(gòu)對更高功率有限制，而且對于 48 V – 5 V 來說太復(fù)雜了。

降壓是 48 V 至 12 V 至 300 W 的最便宜和最小的解決方案。降壓和 LLC 都比開關(guān)電容器具有更高的功率密度。然而，LLC設(shè)計允許大于600瓦兩個48伏至12伏和48伏至5伏而且最佳的效率，這是V中的最佳拓撲中/ V出的比8：1或10：1的.

為什么 GaN FET 是 LLC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計的最佳選擇

表 2 將 100 V eGaN FET 與兩個同類最佳的 Si MOSFET 對應(yīng)物進行了比較。這種比較使 eGaN FET 處于輕微劣勢，因為 80 V MOSFET 正在與 100 V eGaN FET 進行比較。另請注意，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)、更低的輸出電荷，并且明顯更小。

表 2：EPC 100 V 與一流的 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，全球銷售的每 10 輛汽車中就有 1 輛是 48 V 輕度混合動力車。輕度混合動力車中的 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 的解決方案可以在每相 250 kHz 的峰值效率下運行，而傳統(tǒng) MOSFET 解決方案的峰值效率為每相 125 kHz。更高的頻率允許更小的電感值（2.2 μH 對 4.7 μH）和更小的電感 DCR（0.7 mΩ 對 1.7 mΩ），這導(dǎo)致基于 GaN 的解決方案的損耗更小，尺寸更小。

eGaN 器件提高的效率還可以減少所需的相數(shù)。例如，在 3 kW 轉(zhuǎn)換器中，更高的頻率和更高的效率導(dǎo)致從五相 MOSFET 系統(tǒng)減少到四相 GaN 系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)尺寸和成本。以 250 kHz 運行的四相基于 GaN 的解決方案比以 125 kHz 運行的五相 MOSFET 系統(tǒng)小 35%，成本降低 20%。

EPC GaN FET 解決方案少了一個相位，開關(guān)頻率增加了一倍，也比五相 MOSFET 解決方案更高效。圖 6 顯示，與 MOSFET 解決方案相比，eGaN FET 解決方案在滿負載時的功率損耗降低了 15%，在 10% 負載時的損耗降低了 30%。這在滿載時減少了 21 W 的功率損耗。

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)換比較

此外，與 MOSFET 解決方案所需的五相相比，GaN 能夠僅用四相完成相同的工作，因此降低了系統(tǒng)成本。表 3 給出了成本比較。

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

實現(xiàn)系統(tǒng)級改進的 GaN 性能特征

例如，表 4 將 80 V AEC 合格的 FET 與基準 MOSFET 進行了比較。在該表中，eGaN FET 的卓越性能特征顯而易見——R DS(on)降低 30% ，Q g降低 4 倍，Q gd降低 5 倍，Q rr為零，并且尺寸不到其一半但又降低了 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硅功率 MOSFET 相比，eGaN 技術(shù)可提供更高的性能、驚人的可靠性和更低的成本。

表 4：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

集成的 ePower TM平臺

由于 GaN 是橫向器件，因此很容易集成分立器件以外的解決方案。超小尺寸的完全集成功率級是 EPC 產(chǎn)品系列的最新成員。

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，這個設(shè)備就是簡單的“邏輯輸入，電源輸出”。

圖 7：EPC2152 ePower? Stage 單芯片驅(qū)動器和 eGaN FET 半橋功率級

該器件非常小，只有 10 mm 2，最大輸入電壓為 80 V，最大電流為 12.5 A，頻率為 1 MHz。

這種 GaN IC 的集成度提高了效率。圖 8 顯示了集成 eGaN 功率級與具有一個驅(qū)動器和兩個在 1 MHz 和 2.5 MHz 下運行的 eGaN FET 的分立解決方案之間的效率增益。綠色曲線是綜合解決方案；藍色曲線是離散解。

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

對于 1 MHz 時的 48 V 至 12 V，該集成解決方案可提供超過 96% 的峰值效率，并在 12.5 A 時提供高達 2% 的效率改進。這種改進可以用三個因素來解釋：(1) 驅(qū)動器與 FET 的匹配，(2) 無寄生柵極回路、共源極和電源回路電感以及 (3) 兩個 FET 的熱平衡。

在 2.5 MHz 時的改進甚至更大，與分立解決方案相比，集成解決方案可以提供至少三個額外的安培。

在高開關(guān)頻率下，具有超低開關(guān)損耗的 eGaN 技術(shù)廣泛優(yōu)于 Si MOSFET 解決方案，對于 48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在 1 MHz 下的效率通常限于 91%。

GaN 與 Si 在 48 V 下的對比……前線最新消息

在 EPC 上回顧了 GaN 技術(shù)的十年增長，檢查了 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 GaN ePower? Stage 的出現(xiàn)，這是來自電源前線的更新轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計活動可概括如下：

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

量產(chǎn) 100 V – 200 V eGaN FET……價格與具有相似電壓和 R DS(on) 的MOSFET 相當(dāng)

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

審核編輯 黃昊宇