GaN：解决能源危机的一把钥匙

劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)[1]在2016年所做的一项研究表明,2020年美国数据中心将要消耗的能源预计会达到730亿千瓦时——这是一个天文数字。只要我们对计算密集型数据服务的需求不断增加,那么,在更小的空间内提供更多能量以尽可能高效地运行这些中心,就会是必然趋势。

而这种能源使用情况仅代表数据中心。其实,电信、工业自动化、汽车和许多其他系统也同样需要提供高密度的电源系统。

提高电力传输效率的一种方法是利用包括氮化镓(GaN)在内的新的能源半导体技术。与传统的硅解决方案相比,GaN在开关性能方面具有本质上优越的器件属性,当它部署在开关电源中时,可高效供电,将效率提高到前所未有的高度。进而帮助最终用户从根本上节约能源、降低操作成本并减少排放到大气中的碳排放量。

GaN也面临着挑战。过去,这些挑战与制造和提供高质量、可靠GaN的能力相关。然而,随着整个行业制造工艺的改进和采用率的增加,挑战逐渐集中到实施和系统设计上。要实现更高的效率,不仅需要用GaN替换硅,因为目前的技术已经能够支持系统级别的改变,此举大大提升了效率。技术赋予设计工程师提高压摆率、开关频率并把功耗降至更低的能力。

图1．比较GaN vs． Si的设备损耗

另外,高频工作对解决方案成本有积极影响,这是因为变压器和电感器等必要磁元件的体积、重量和所需材料都有所减少。

从GaN内在优势获益较多的应用是开关模式电源。

1-kW GaN解决方案:从AC到POL的功率密度翻了三倍

图2．在电源的所有级中,GaN解决方案能缩小规模,提高效率。

图3．GaN PFC拓扑。

PFC级(图3)使用高效率图腾柱拓扑,从而实现独一无二的高功率密度、高效率和低功耗组合,而类似的基于硅的设计却无法做到这一点。与使用硅的传统二极管桥式升压PFC相比,此级的效率超过99%,功耗降低10W以上。

高压DC/DC级采用了高效的谐振逻辑链路控制(LLC)转换器(图 4)。虽然在LLC转换器中使用硅是很普遍的,但是GaN的优点在于把功率密度提高了50%,将开关频率提升了一个数量级。1-MHz基于GaN的LLC要求变压器尺寸比100-kHz基于硅的LLC设计所采用的变压器要小六分之一。

图4．GaN LLC拓扑。

图6．实际和潜在的GaN应用领域。

使用GaN解决方案,提高脉宽调制(PWM)频率并降低开关损耗,这有助于驱动极低电感的永久磁性和无刷直流电机。这些特性还使转矩波动更小化,从而在伺服驱动器和步进器中实现精确定位,支持高速电机在无人机等应用中实现高电压。

图7．GaN逆变器。100kHz 3级设计。