四種將被氮化鎵革新電子設計的中壓應用

來源：德州儀器

引言

隨著技術的迅速發展，人們對電源的需求亦在不斷攀升。為了可持續地推動這一發展，太陽能等可再生能源被越來越多地用于電網供電。同樣，為了實現更快的數據處理、大數據存儲以及人工智能 (AI)，服務器的需求也在呈指數級增長。鑒于這些趨勢，設計人員面臨著一項重大挑戰：如何在持續提升設計效率的同時，在相同的尺寸內實現更高的功率。

這一挑戰已經推動了氮化鎵 (GaN) 在高壓電源設計中的廣泛應用，原因在于 GaN 具有兩大優勢：

· 提高功率密度。GaN 的開關頻率較高，使設計人員能夠使用體積更小的無源器件（如電感器和電容器），從而縮小電路板的尺寸。

· ?提升效率。相較于硅設計，GaN 出色的開關和導通損耗性能可將損耗降低 50% 以上。

除了業界已經采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到歡迎，可在高壓 GaN 之前無法支持的電源系統中實現更高的功率密度和效率。

這篇文章將詳述四個主要的中壓應用領域，這些領域正在逐漸采用 GaN 技術。

應用領域 1：太陽能

太陽能是發展最快的可再生能源，從 2021 年到 2022 年增長了 26%，預計在未來七到八年內，太陽能利用將以約 11.5% 的復合年增長率發展。隨著太陽能電池板安裝數量的增加，人們對系統效率和功率密度的需求也將隨之增長，因為這是一種對空間需求較高的技術。?對于太陽能電池板子系統而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017 器件有助于將系統尺寸縮小 40% 以上。

太陽能主要通過太陽能電池板的兩種子系統得以實現：一種是升壓級后跟逆變器級，將直流電壓范圍轉換為交流電壓（如圖 1 所示）；另一種是降壓和升壓級，其中電源優化器將不斷變化的直流電壓轉換為常見的直流電壓電平（利用最大功率點跟蹤），以輸送到串式逆變器（如圖 2 所示）。

圖 1 微型逆變器框圖

圖 2 電源優化器框圖

應用領域 2：服務器

考慮到我們仍處在人工智能革命的初期階段，為了運行復雜的機器學習算法并實現更大、更復雜數據集的存儲，服務器的需求將呈指數級增長。要求每個級的效率高于 98% 的高密度設計將能夠滿足這些增強型處理和存儲需求。

如圖 3 所示，服務器電源應用中的三個主要系統可以采用 100V 至 200V 的 GaN：

· 電源單元 (PSU)。開放計算項目的變化正在提升 48V 輸出的熱度；然而，所需 80V 和 100V 硅解決方案的損耗（柵極驅動和重疊損耗）相較于以前的解決方案有大幅增長。諸如 LMG3100 等 GaN 解決方案有助于盡可能減小電感-電感-電容器級（LLC 級）次級側同步整流器中的上述損耗。

· 中間總線轉換器 (IBC)。此系統將 PSU 輸出的中間電壓 (48V) 轉換為較低的電壓，然后傳送至服務器。隨著 48V 電壓電平的流行，IBC 有助于減少服務器子系統中的 I2R 損耗，并使匯流條和電力傳輸線的尺寸和成本都得到降低。IBC 的缺點是其在電源轉換中又增加了一步，可能會對效率產生影響。因此，除了 OEM 經測試可獲得高效率和高功率密度最佳組合的幾種新拓撲外，請務必充分利用 LMG2100 和 LMG3100 等高效 GaN 器件。

· 電池備份單元。降壓/升壓級通常將電池電壓 (48V) 轉換為總線電壓 (48V)。當市電線路斷電且電力流為雙向時，您也可以使用電池備份單元進行電池電源轉換。不間斷電源之所以使用此級，是因為它僅通過電池直接執行一次直流/直流轉換，避免了由直流/交流/直流轉換引起的損耗。

圖 3 服務器電源框圖

應用領域 3：電信電源

在電信無線電設備中，電源有可能采用 GaN 設計。由于無線電設備通常安置在戶外，僅依賴自然冷卻，因此高效率顯得尤為重要。此外，隨著移動網絡（如 5G、6G）的逐步發展，加快網絡速度和數據處理的需求也在增加，因此需要具有極低損耗的高密度設計。LMG2100 有助于將此類設計的功率密度提高 40% 以上。

在典型的中壓應用中，GaN 將負電池電壓電平（通常為 -48V）的電源，利用反向降壓/升壓或正向轉換器拓撲轉換為適用于功率放大器的 +48V 電源，或者利用降壓轉換器拓撲為現場可編程門陣列和其他直流負載供電。

應用領域 4：電機驅動

沒錯，您可以在電機驅動電路中使用 GaN，其應用領域廣泛，包括機器人、電動工具驅動以及兩輪牽引逆變器設計等負載曲線不同的應用。GaN 的零反向恢復特性（因為不存在體二極管）導致二極管反向偏置電流沒有穩定時間，從而降低了死區損失，提高了效率。如前所述，GaN 的開關頻率更高，電流紋波更低，這樣就可以減小無源器件的尺寸，從而實現更平滑的電機驅動設計。

圖 4 展示了如何在電機驅動單元中添加 GaN。

圖 4 電機驅動單元框圖

結語

在各種中壓應用中，GaN 有潛力取代傳統的硅 FET。100V 至 200V GaN 的其他應用領域包括通用直流/直流轉換、D 類音頻放大器，以及電池測試和化成設備。此外，GaN 還能提供更高的開關頻率和更低的功率損耗，這些優勢在簡化電源設計的集成電源級中尤為突出。

審核編輯 黃宇