四種將被氮化鎵革新電子設(shè)計的中壓應(yīng)用

引言

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

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

• 提高功率密度。GaN 的開關(guān)頻率較高，使設(shè)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(shè)計，GaN 出色的開關(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 之前無法支持的電源系統(tǒng)中實現(xiàn)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(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：太陽能 太陽能是發(fā)展最快的可再生能源，從 2021 年到 2022 年增長了 26%，預(yù)計在未來七到八年內(nèi)，太陽能利用將以約 11.5% 的復(fù)合年增長率發(fā)展。隨著太陽能電池板安裝數(shù)量的增加，人們對系統(tǒng)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(shù)。對于太陽能電池板子系統(tǒng)而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017 器件有助于將系統(tǒng)尺寸縮小 40% 以上。

太陽能主要通過太陽能電池板的兩種子系統(tǒng)得以實現(xiàn)：一種是升壓級后跟逆變器級，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，其中電源優(yōu)化器將不斷變化的直流電壓轉(zhuǎn)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(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，為了運行復(fù)雜的機器學(xué)習(xí)算法并實現(xiàn)更大、更復(fù)雜數(shù)據(jù)集的存儲，服務(wù)器的需求將呈指數(shù)級增長。要求每個級的效率高于 98% 的高密度設(shè)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(wù)器電源應(yīng)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電感-電感-電容器級（LLC 級）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(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，請務(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，您也可以使用電池備份單元進行電池電源轉(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。

圖 3 服務(wù)器電源框圖

應(yīng)用領(lǐng)域 3：電信電源

在電信無線電設(shè)備中，電源有可能采用 GaN 設(shè)計。由于無線電設(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。LMG2100 有助于將此類設(shè)計的功率密度提高 40% 以上。

在典型的中壓應(yīng)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(zhuǎn)換器拓撲轉(zhuǎn)換為適用于功率放大器的 +48V 電源，或者利用降壓轉(zhuǎn)換器拓撲為現(xiàn)場可編程門陣列和其他直流負載供電。

應(yīng)用領(lǐng)域 4：電機驅(qū)動

沒錯，您可以在電機驅(qū)動電路中使用 GaN，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括機器人、電動工具驅(qū)動以及兩輪牽引逆變器設(shè)計等負載曲線不同的應(yīng)用。GaN 的零反向恢復(fù)特性（因為不存在體二極管）導(dǎo)致二極管反向偏置電流沒有穩(wěn)定時間，從而降低了死區(qū)損失，提高了效率。如前所述，GaN 的開關(guān)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(xiàn)更平滑的電機驅(qū)動設(shè)計。

圖 4 展示了如何在電機驅(qū)動單元中添加 GaN。

圖 4 電機驅(qū)動單元框圖

結(jié)語

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，以及電池測試和化成設(shè)備。此外，GaN 還能提供更高的開關(guān)頻率和更低的功率損耗，這些優(yōu)勢在簡化電源設(shè)計的集成電源級中尤為突出。