在功率半導體領域，氮化鎵（GaN）因其高頻高效特性被譽為 “下一代開關(guān)器件的核心”，這一技術(shù)如今已經(jīng)通過快充進入到了千家萬戶，但如何持續(xù)發(fā)揮出氮化鎵的功率優(yōu)勢，在不同領域都實現(xiàn)如快充頭一樣的普及，一直是行業(yè)難題。
德州儀器（TI）日前推出了行業(yè)標準TOLL封裝的GaN LMG365x，滿足客戶對于多供應商的需求，同時繼續(xù)發(fā)揮高度集成驅(qū)動保護與功率的特性，為GaN在數(shù)據(jù)中心、太陽能微型逆變器、電視電源甚至車載OBC等領域的規(guī)模化應用持續(xù)助力。
從分立到集成：破解高頻設計的 “寄生參數(shù)” 魔咒
傳統(tǒng)分立 GaN 器件在高頻應用中面臨兩大痛點：驅(qū)動難做，保護電路也難做。TI 的 LMG365x系列器件通過 “封裝即系統(tǒng)” 的設計理念，將柵極驅(qū)動器、保護電路與功率管深度集成，這也是自從TI推出第一顆商用GaN功率器件就采取的產(chǎn)品策略。
德州儀器系統(tǒng)經(jīng)理游聲揚表示，氮化鎵的切換頻率較快，因此如果采用分立方案，從驅(qū)動器到FET之間的寄生電感比較高，因此會限制工作頻率，這樣就限制了使用GaN的意義，沒法發(fā)揮出最大價值。而通過集成，可以實現(xiàn)更高頻的操作。
同時，由于GaN的切換速度太快，會帶來更高的EMI干擾，需要PCB布板比較注意。如果客戶用GaN替換SiC的話，可能會造成EMI不匹配。為此，LMG365xR025具有可調(diào)柵極驅(qū)動器強度允許獨立地控制導通和最大關(guān)斷壓擺率，這可用于主動控制 EMI 并優(yōu)化開關(guān)性能。導通壓擺率可以從 10V/ns 到 100V/ns 不等、而關(guān)斷壓擺率限制在 10V/ns 至最大值之間。這樣可以靈活匹配以前的設計。
電路寄生效應示例
TI的LMG3650集成了650V的GaN FET，目前提供了3種不同的Rdson，有25mΩ、35mΩ、70mΩ，不同的Rdson相對應于不同的功率等級，低Rdson可以支持相對較高的功率等級，比較高的Rdson的COSS會比較小，適合傳導干擾小的場景；而35mΩ適合開關(guān)干擾小的場景。
而在保護及傳感功能方面，保護特性包括欠壓鎖定 (UVLO) 、 逐周期過流限制 、 短路和過熱保護 。 LMG365x在 LDO5V 引腳上提供 5V LDO 輸出，可用于為外部數(shù)字隔離器供電。LMG3656R025 包含零電壓檢測 (ZVD) 功能，可在實現(xiàn)零電壓開關(guān)時提供 來自 ZVD 引腳的脈沖輸出。LMG3657R025 包含零電流檢測 (ZCD) 功能，可在漏源電流為負時將 ZCD 引腳設置為高電平，并在檢測到過零點時轉(zhuǎn)換為低電平。
通過功率管、驅(qū)動以及保護的集成，TI的GaN實現(xiàn)了超高集成度的最佳表現(xiàn)。
從Grid到Gate的全覆蓋
不同電壓等級的GaN，可以構(gòu)建其從AC到不同電壓等級的DC全覆蓋。例如使用 650V GaN FET 進行 AC/DC 至 DC/DC 轉(zhuǎn)換，或使用 100V 或 200V GaN FET 進行 DC/DC 轉(zhuǎn)換。
游聲揚介紹道，以服務器電源的PSU為例，從AC輸入開始，第一級是AC到400V或者450V的DC母線，AC 400V到450V的DC母線一般使用無橋整流器，LMG365x可以應用在無橋式整流器上的高頻開關(guān)。功率等級級別一般可能會有1.8kW、3.6kW甚至到8kW、12kW的等級，在功率等級比較高的時候，一般客戶會選用多相交錯方案。
從AC/DC整流之后，有一個隔離式的DC/DC轉(zhuǎn)換器，一般來說是從400V或者450V到48V。由于現(xiàn)在高功率密度和高效率要求，嘗嘗使用軟開關(guān)拓撲，像LLC串聯(lián)諧振的電路。在軟開關(guān)電路上，TI的氮化鎵也能提供比較低的COSS，減少軟開關(guān)LLC串聯(lián)諧振控制器轉(zhuǎn)換器上面的環(huán)流損耗。實測結(jié)果顯示，TI采用 TOLL 封裝的 GaN 器件可在 PFC 級實現(xiàn)超過 99% 的效率，在 DC/DC 級實現(xiàn)超過 98% 的效率。
針對中壓GaN，服務器電源應用中的三個主要系統(tǒng)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(qū)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LLC次級側(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，然后傳送至服務器。隨著 48V 電壓電平的流行，IBC 有助于減少服務器子系統(tǒng)中的 I 2R 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(zhuǎn)換中又增加了一步，可能會對效率產(chǎn)生影響。因此，除了 OEM 經(jīng)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，GaN也可以發(fā)揮作用。
電池備份單元：降壓/升壓級通常將電池電壓 (48V) 轉(zhuǎn)換為總線電壓 (48V)。當市電線路斷電且電力流為雙向時，也可以使用 BBU 進行電池電源轉(zhuǎn)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(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。
總結(jié)
數(shù)據(jù)中心內(nèi)功率密度加速上升，大約十年前，每個機架的平均功率密度約為 4 至 5 kW，但當今的超大規(guī)模云計算公司（例如亞馬遜、微軟或 Facebook）通常要求每個機架的功率密度達到 20 至 30 kW。一些專業(yè)系統(tǒng)的要求甚至更高，要求每個機架的功率密度達到100kW 以上。因電源存放及散熱空間有限，高功率密度要求電源設計緊湊且高能效，同時電源還需滿足數(shù)據(jù)中心行業(yè)特定需求。
GaN無疑是提高功率密度最行之有效的方法之一，GaN 能提供更高的開關(guān)頻率和更低的功率損耗，這些優(yōu)勢在簡化電源設計提高功率密度的場合中尤為突出。TI的標準TOLL封裝，全集成，涵蓋高壓和中壓的GaN產(chǎn)品，非常適合數(shù)據(jù)中心電源的全場景應用。 |
