四種將被氮化鎵革新電子設(shè)計(jì)的中壓應(yīng)用

引言

隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)電源的需求亦在不斷攀升。為了可持續(xù)地推動(dòng)這一發(fā)展，太陽(yáng)能等可再生能源被越來(lái)越多地用于電網(wǎng)供電。同樣，為了實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及人工智能(AI)，服務(wù)器的需求也在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。鑒于這些趨勢(shì)，設(shè)計(jì)人員面臨著一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)：如何在持續(xù)提升設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，在相同的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率。

這一挑戰(zhàn)已經(jīng)推動(dòng)了氮化鎵(GaN)在高壓電源設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，原因在于GaN具有兩大優(yōu)勢(shì)：

●   提高功率密度。GaN的開(kāi)關(guān)頻率較高，使設(shè)計(jì)人員能夠使用體積更小的無(wú)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(shè)計(jì)，GaN出色的開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗性能可將損耗降低 50% 以上。

除了業(yè)界已經(jīng)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(wú)法支持的電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率。

這篇文章將詳述四個(gè)主要的中壓應(yīng)用領(lǐng)域，這些領(lǐng)域正在逐漸采用 GaN 技術(shù)。

應(yīng)用領(lǐng)域1：太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是發(fā)展最快的可再生能源，從2021年到2022年增長(zhǎng)了26%，預(yù)計(jì)在未來(lái)七到八年內(nèi)，太陽(yáng)能利用將以約11.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率發(fā)展。隨著太陽(yáng)能電池板安裝數(shù)量的增加，人們對(duì)系統(tǒng)效率和功率密度的需求也將隨之增長(zhǎng)，因?yàn)檫@是一種對(duì)空間需求較高的技術(shù)。?對(duì)于太陽(yáng)能電池板子系統(tǒng)而言，LMG2100R044和LMG3100R017器件有助于將系統(tǒng)尺寸縮小40%以上。

太陽(yáng)能主要通過(guò)太陽(yáng)能電池板的兩種子系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)：一種是升壓級(jí)后跟逆變器級(jí)，將直流電壓范圍轉(zhuǎn)換為交流電壓（如圖1所示）；另一種是降壓和升壓級(jí)，其中電源優(yōu)化器將不斷變化的直流電壓轉(zhuǎn)換為常見(jiàn)的直流電壓電平（利用最大功率點(diǎn)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(yōu)化器框圖

應(yīng)用領(lǐng)域2：服務(wù)器

考慮到我們?nèi)蕴幵谌斯ぶ悄芨锩某跗陔A段，為了運(yùn)行復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法并實(shí)現(xiàn)更大、更復(fù)雜數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)，服務(wù)器的需求將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。要求每個(gè)級(jí)的效率高于 98% 的高密度設(shè)計(jì)將能夠滿足這些增強(qiáng)型處理和存儲(chǔ)需求。

如圖3所示，服務(wù)器電源應(yīng)用中的三個(gè)主要系統(tǒng)可以采用 100V 至 200V 的 GaN：

●   電源單元(PSU)。開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)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(qū)動(dòng)和重疊損耗）相較于以前的解決方案有大幅增長(zhǎng)。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(jí)（LLC 級(jí)）次級(jí)側(cè)同步整流器中的上述損耗。

●   中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)。此系統(tǒng)將PSU輸出的中間電壓(48V)轉(zhuǎn)換為較低的電壓，然后傳送至服務(wù)器。隨著48V電壓電平的流行，IBC有助于減少服務(wù)器子系統(tǒng)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(diǎn)是其在電源轉(zhuǎn)換中又增加了一步，可能會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生影響。因此，除了OEM經(jīng)測(cè)試可獲得高效率和高功率密度最佳組合的幾種新拓?fù)渫?，?qǐng)務(wù)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(jí)通常將電池電壓(48V)轉(zhuǎn)換為總線電壓(48V)。當(dāng)市電線路斷電且電力流為雙向時(shí)，您也可以使用電池備份單元進(jìn)行電池電源轉(zhuǎn)換。不間斷電源之所以使用此級(jí)，是因?yàn)樗鼉H通過(guò)電池直接執(zhí)行一次直流/直流轉(zhuǎn)換，避免了由直流/交流/直流轉(zhuǎn)換引起的損耗。

圖3 服務(wù)器電源框圖

應(yīng)用領(lǐng)域3：電信電源

在電信無(wú)線電設(shè)備中，電源有可能采用GaN設(shè)計(jì)。由于無(wú)線電設(shè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)（如 5G、6G）的逐步發(fā)展，加快網(wǎng)絡(luò)速度和數(shù)據(jù)處理的需求也在增加，因此需要具有極低損耗的高密度設(shè)計(jì)。LMG2100有助于將此類設(shè)計(jì)的功率密度提高40%以上。

在典型的中壓應(yīng)用中，GaN將負(fù)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(zhuǎn)換器拓?fù)滢D(zhuǎn)換為適用于功率放大器的+48V電源，或者利用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇楝F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和其他直流負(fù)載供電。

應(yīng)用領(lǐng)域 4：電機(jī)驅(qū)動(dòng)

沒(méi)錯(cuò)，您可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中使用GaN，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括機(jī)器人、電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)以及兩輪牽引逆變器設(shè)計(jì)等負(fù)載曲線不同的應(yīng)用。GaN的零反向恢復(fù)特性（因?yàn)椴淮嬖隗w二極管）導(dǎo)致二極管反向偏置電流沒(méi)有穩(wěn)定時(shí)間，從而降低了死區(qū)損失，提高了效率。如前所述，GaN的開(kāi)關(guān)頻率更高，電流紋波更低，這樣就可以減小無(wú)源器件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)更平滑的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

圖4展示了如何在電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元中添加GaN。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元框圖

結(jié)語(yǔ)

在各種中壓應(yīng)用中，GaN有潛力取代傳統(tǒng)的硅FET。100V至200V GaN的其他應(yīng)用領(lǐng)域包括通用直流/直流轉(zhuǎn)換、D類音頻放大器，以及電池測(cè)試和化成設(shè)備。此外，GaN還能提供更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的功率損耗，這些優(yōu)勢(shì)在簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)的集成電源級(jí)中尤為突出。