在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）因其高頻高效特性被譽(yù)為 “下一代開(kāi)關(guān)器件的核心”，這一技術(shù)如今已經(jīng)通過(guò)快充進(jìn)入到了千家萬(wàn)戶，但如何持續(xù)發(fā)揮出氮化鎵的功率優(yōu)勢(shì)，在不同領(lǐng)域都實(shí)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(biāo)準(zhǔn)TOLL封裝的GaN LMG365x，滿足客戶對(duì)于多供應(yīng)商的需求，同時(shí)繼續(xù)發(fā)揮高度集成驅(qū)動(dòng)保護(hù)與功率的特性，為GaN在數(shù)據(jù)中心、太陽(yáng)能微型逆變器、電視電源甚至車載OBC等領(lǐng)域的規(guī)�；瘧�(yīng)用持續(xù)助力。
從分立到集成：破解高頻設(shè)計(jì)的 “寄生參數(shù)” 魔咒
傳統(tǒng)分立 GaN 器件在高頻應(yīng)用中面臨兩大痛點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)難做，保護(hù)電路也難做。TI 的 LMG365x系列器件通過(guò) “封裝即系統(tǒng)” 的設(shè)計(jì)理念，將柵極驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)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(yáng)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(dòng)器到FET之間的寄生電感比較高，因此會(huì)限制工作頻率，這樣就限制了使用GaN的意義，沒(méi)法發(fā)揮出最大價(jià)值。而通過(guò)集成，可以實(shí)現(xiàn)更高頻的操作。
同時(shí)，由于GaN的切換速度太快，會(huì)帶來(lái)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(huì)造成EMI不匹配。為此，LMG365xR025具有可調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度允許獨(dú)立地控制導(dǎo)通和最大關(guān)斷壓擺率，這可用于主動(dòng)控制 EMI 并優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能。導(dǎo)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(shè)計(jì)。
電路寄生效應(yīng)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(duì)應(yīng)于不同的功率等級(jí)，低Rdson可以支持相對(duì)較高的功率等級(jí)，比較高的Rdson的COSS會(huì)比較小，適合傳導(dǎo)干擾小的場(chǎng)景；而35mΩ適合開(kāi)關(guān)干擾小的場(chǎng)景。
而在保護(hù)及傳感功能方面，保護(hù)特性包括欠壓鎖定 (UVLO) 、 逐周期過(guò)流限制 、 短路和過(guò)熱保護(hù) 。 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(cè) (ZVD) 功能，可在實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)時(shí)提供 來(lái)自 ZVD 引腳的脈沖輸出。LMG3657R025 包含零電流檢測(cè) (ZCD) 功能，可在漏源電流為負(fù)時(shí)將 ZCD 引腳設(shè)置為高電平，并在檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)換為低電平。
通過(guò)功率管、驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)的集成，TI的GaN實(shí)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(jí)的GaN，可以構(gòu)建其從AC到不同電壓等級(jí)的DC全覆蓋。例如使用 650V GaN FET 進(jìn)行 AC/DC 至 DC/DC 轉(zhuǎn)換，或使用 100V 或 200V GaN FET 進(jìn)行 DC/DC 轉(zhuǎn)換。
游聲揚(yáng)介紹道，以服務(wù)器電源的PSU為例，從AC輸入開(kāi)始，第一級(jí)是AC到400V或者450V的DC母線，AC 400V到450V的DC母線一般使用無(wú)橋整流器，LMG365x可以應(yīng)用在無(wú)橋式整流器上的高頻開(kāi)關(guān)。功率等級(jí)級(jí)別一般可能會(huì)有1.8kW、3.6kW甚至到8kW、12kW的等級(jí)，在功率等級(jí)比較高的時(shí)候，一般客戶會(huì)選用多相交錯(cuò)方案。
從AC/DC整流之后，有一個(gè)隔離式的DC/DC轉(zhuǎn)換器，一般來(lái)說(shuō)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(kāi)關(guān)拓?fù)�，像LLC串聯(lián)諧振的電路。在軟開(kāi)關(guān)電路上，TI的氮化鎵也能提供比較低的COSS，減少軟開(kāi)關(guān)LLC串聯(lián)諧振控制器轉(zhuǎn)換器上面的環(huán)流損耗。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，TI采用 TOLL 封裝的 GaN 器件可在 PFC 級(jí)實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99% 的效率，在 DC/DC 級(jí)實(shí)現(xiàn)超過(guò) 98% 的效率。
針對(duì)中壓GaN，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LLC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 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(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�，GaN也可以發(fā)揮作用。
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)，也可以使用 BBU 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。
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(gè)機(jī)架的平均功率密度約為 4 至 5 kW，但當(dāng)今的超大規(guī)模云計(jì)算公司（例如亞馬遜、微軟或 Facebook）通常要求每個(gè)機(jī)架的功率密度達(dá)到 20 至 30 kW。一些專業(yè)系統(tǒng)的要求甚至更高，要求每個(gè)機(jī)架的功率密度達(dá)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(shè)計(jì)緊湊且高能效，同時(shí)電源還需滿足數(shù)據(jù)中心行業(yè)特定需求。
GaN無(wú)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(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)提高功率密度的場(chǎng)合中尤為突出。TI的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)景應(yīng)用。 |
