是時候采用氮化鎵功率器件設計DC/DC轉換器了

功率半導體是高效電源轉換的重要組成部分。實際上，電源轉換系統(tǒng)存在于所有現代電子產品中，其應用包括工業(yè)、汽車、消費、醫(yī)療或航空航天等。它們主要存在于電源、照明控制和電機驅動器中。

據Yole Développement統(tǒng)計，2017年功率器件市場的營收約為300億美元，其中超過一半的營收來自電源集成電路。到2022年，這一市場的營收預計將增長到約350億美元。

Alexander Lidow宜普電源轉換公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人

隨著全球生活水平的迅速提高，電力需求也在相應增長。為了減少核電、木材、燃煤、燃氣電廠對環(huán)境的影響，我們必須有效使用電力。此外，隨著人們對計算機處理能力、汽車燃油經濟性、電動車和無人機行駛距離、燈具能耗等要求越來越高，在可預見的未來，人們對更低成本、更小體積、更高效電源系統(tǒng)的需求將會繼續(xù)穩(wěn)步增長。

數據中心用電量驚人，需要高效的電源架構和優(yōu)越的電源轉換技術

數據中心及電信系統(tǒng)是電子基礎設施的主要成員，與我們的日常生活息息相關。隨著技術融入到我們的生活，我們認為這理所當然，可是，就像冰山一樣，我們看不到大部分的電子基礎設施。這些基礎設施的硬件部分，包含著數百萬個微處理器、數據存儲器、輸出數據總線及輔助邏輯電路。

每個處理器可能包含數十億個微小的集成晶體管電路。這些極小的器件用電量微乎其微，工作電壓范圍通常是從數伏特到1V以下。而數據中心可以采用數千個處理器，這意味著同一時間使用了萬億個晶體管!因此，數據中心所需的電力將會是從數兆瓦到數十兆瓦。目前，數據中心所需的電力是4160V三相交流電壓或13. 8kV。這對于需要很低電壓及相當精確電壓的信息處理硬件來說，是完全不合適的。因此，我們必須找出高效的電源架構并采用優(yōu)越的電源轉換技術，從而可以高效地降壓至1V。

實際上，電力昂貴，而且數據中心的用電量驚人。如果要實現大于1000∶1的電壓轉換比，必須采用多級電源轉換，而在每一級的電源轉換過程中，都會流失若干能量，從而增加了整個系統(tǒng)的成本。流失的能量就是熱量，必需除去。這需要有效的散熱管理，通常是利用空調，但這會推高用電量及進一步增加成本。高效電源轉換可顯著地降低電費開支， 電費開支就是構成數據中心最大的成本。到2020年，我們預計在美國的數據中心的總能耗將高達730億kWh， 使得我們根本不可能使用低效的供電架構。

在這數年間，業(yè)界十分關注從48V總線電壓轉到通常是1V或以下電壓的負載點應用。最后一級的電源轉換是最困難的，也是目前來說最低效的，大約會流失掉15%的總能量，如果能將這些能量用于數字芯片，就可以提高收入。

氮化鎵實現顯著性能提升，而達到其極限之前仍可以提高效率約300倍

很多工程師提問關于氮化鎵(GaN)及碳化硅(SiC)的異同。GaN和SiC都是寬帶隙半導體，因此可以在更小、更快的器件中處理比硅更多的功率。GaN的一個額外優(yōu)點是可以在器件表面產生二維電子氣(2DEG)。這種2DEG可以使橫向GaN器件更快地傳導電子，并使其電阻比Si或SiC更低。橫向器件的所有電氣連接與有源器件在同一平面上。不同的應用具有不同的電壓要求。當電壓要求超過600~900V時，橫向器件就行不通了。垂直GaN器件(電氣連接在頂部和底部)沒有2DEG，因此其性能就更接近于SiC。隨著垂直SiC二極管和晶體管的成熟度越來越高，SiC有望主導約900V以上的應用。然而， 一般而言，900V以下的市場更大，這也是宜普(EPC)目前在應對的市場。

GaN器件才剛剛開始在電源轉換領域嶄露頭角。值得注意的是，功率晶體管在過去短短幾年取得了重大進展，導通電阻有了大幅改善。即便如此，目前市場上最好的硅基GaN晶體管也比Si的理論極限要好得多，而且在達到其極限之前仍然可以提高效率約300倍。

硅基GaN技術對于集成來說也是非常好的候選對象?，F在，我們已經有基于硅基GaN的單片半橋器件。未來還將有完整的片上系統(tǒng)(SoC)功率器件，而在電源轉換應用中實質上可以廢棄使用分立晶體管。

總結

氮化鎵功率器件的出現，改變了業(yè)界的游戲規(guī)則。相比基于傳統(tǒng)硅MOSFET器件的解決方案，基于氮化鎵器件的解決方案更高效、占板面積更小，而且成本更低。

我們業(yè)界的共同目標是希望每一個全新設計都可以實現節(jié)能、更低的成本及更高的效率，從而設計出更優(yōu)越的數據中心。目前有越來越多的公司制造基于氮化鎵技術的DC/DC電源轉換產品，因此可以預期，更高效、更具成本效益的未來，從現在開始!