德州儀器白皮書：GaN將能源效率推升至新高度

勞倫斯伯克利國(guó)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(guó)數(shù)據(jù)中心將要消耗的能源預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到730億千瓦時(shí)——這是一個(gè)天文數(shù)字。只要我們對(duì)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(huì)是必然趨勢(shì)。

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(kāi)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(kāi)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(guò)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(jí)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(kāi)關(guān)頻率并把功耗降至更低的能力。

圖1．比較GaN vs． Si的設(shè)備損耗

另外，高頻工作對(duì)解決方案成本有積極影響，這是因?yàn)樽儔浩骱?a target="_blank">電感器等必要磁元件的體積、重量和所需材料都有所減少。

從GaN內(nèi)在優(yōu)勢(shì)獲益較多的應(yīng)用是開(kāi)關(guān)模式電源。

1-kW GaN解決方案：從AC到POL的功率密度翻了三倍

PFC級(jí)（圖3）使用高效率圖騰柱拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)獨(dú)一無(wú)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(wú)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(jí)的效率超過(guò)99%，功耗降低10W以上。

高壓DC/DC級(jí)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(kāi)關(guān)頻率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。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。

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(huì)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(kāi)關(guān)損耗，這有助于驅(qū)動(dòng)極低電感的永久磁性和無(wú)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(wú)人機(jī)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電壓。

高保真音響

高性能音響的功放要求近乎理想化的開(kāi)關(guān)波形來(lái)減少失真，這是因?yàn)槿魏螣o(wú)用頻率的諧波都會(huì)導(dǎo)致人耳可聽(tīng)頻帶。GaN化解了這個(gè)問(wèn)題，它能在高得多的壓擺率下高效開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)行為可預(yù)測(cè)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(tīng)的頻帶內(nèi)。

通過(guò)GaN設(shè)計(jì)最佳解決方案

由于高頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jí)產(chǎn)品，可幫助設(shè)計(jì)師把問(wèn)題大大簡(jiǎn)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(wú)縫配對(duì)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(jí)。

今天的GaN立足于未來(lái)

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(duì)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L(zhǎng)iDAR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?cè)诓粩嚅_(kāi)發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)。集成化解決方案節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間并且可以隨時(shí)利用，同時(shí)我們針對(duì)廣泛應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)也在穩(wěn)步增加。當(dāng)下對(duì)電源效率的需求越來(lái)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。

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(huì)。

德州儀器（TI）是推動(dòng)GaN開(kāi)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(jiǎn)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(wèn)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(shì)

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(wú)不降低了開(kāi)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(jí)。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(jiǎn)了實(shí)用冷卻方案。

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(guò)幾個(gè)功率級(jí)實(shí)現(xiàn)。第一級(jí)是普通電源，包括供電AC線路電源，它通過(guò)功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)產(chǎn)生DC總線高壓，通常為380 V。在第二級(jí)，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(jí)被稱為交直流轉(zhuǎn)換級(jí)。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(jí)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(jí)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(jí)、高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器和POL級(jí)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(guò)優(yōu)化的電源拓?fù)淇筛蟪潭劝l(fā)揮GaN的性能。

POL級(jí)利用GaN的高效開(kāi)關(guān)屬性，使48 V高效硬開(kāi)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(jí)將48 V轉(zhuǎn)換為12 V，但GaN可實(shí)現(xiàn)真正的單級(jí)轉(zhuǎn)換，直接轉(zhuǎn)換為1 V。通過(guò)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(jí)到單級(jí)。

滿足一系列應(yīng)用要求

GaN的優(yōu)勢(shì)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(duì)GaN的利用率。

LiDAR

對(duì)寬度日益趨窄的要求，迅速使得GaN FET和驅(qū)動(dòng)器成為L(zhǎng)iDAR的必備元件，雖然LiDAR也用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、安防、地圖測(cè)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(lái)。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(shí)別對(duì)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8所示LMG3410是單通道電源級(jí)，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(guò)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)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(duì)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(jí)，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(duì)接。

圖9．LMG5200:80 V/10 A GaN半橋電源級(jí)。

在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，幾乎與產(chǎn)品本身同等重要的是一整套開(kāi)發(fā)工具。評(píng)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(cè)量和其他領(lǐng)域的應(yīng)用中。我們對(duì)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)。