采用氮化鎵晶體管取得更高功率密度和效率的48V通信直直變換器

隨著全球?qū)?shù)據(jù)需求的不斷增加，這看似失去控制，但已成為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中人們不得不去處理的真正問題。數(shù)據(jù)中心和基站，充滿了通信處理和存儲(chǔ)處理，在電力基礎(chǔ)設(shè)施，冷卻和能量儲(chǔ)存方面已經(jīng)達(dá)到了系統(tǒng)的極限。然而隨著數(shù)據(jù)流量持續(xù)增加，人們安裝了更高功率密度的通信和數(shù)據(jù)處理電路板，吸取更多的電能。如圖1所示，2012年，在信息和通信技術(shù)部門總用電量中，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的通信電源用電量高達(dá)35%。到2017年，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心將使用50%的電量，并且隨著時(shí)間的推移，這種情況會(huì)愈演愈烈。

解決這個(gè)問題的一個(gè)方案是重新構(gòu)建數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，從原來背板上面分布式12V電源變到現(xiàn)在48V電源。就在最近，2016年3月份，美國的谷歌公司宣布將會(huì)加入開放計(jì)算項(xiàng)目，貢獻(xiàn)該公司自2012年以來在使用48V分布式電力系統(tǒng)方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。這在解決問題的同時(shí)又產(chǎn)生了一個(gè)新的挑戰(zhàn)：對(duì)于通信和數(shù)據(jù)卡的電力設(shè)計(jì)師們，他們?nèi)绾文茉?8V供電直直變換器中實(shí)現(xiàn)更高的效率，更小的體積，同時(shí)提高電源的功率等級(jí)呢?

在當(dāng)今的架構(gòu)中，通過采用12V的背板，工業(yè)界能夠使用具有非常好的品質(zhì)因數(shù)特性的40V MOSFET 來滿足高開關(guān)頻率，傳輸高效率以及高功率密度。采用48V背板迫使直直變換器設(shè)計(jì)師們使用100V MOSFET，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩钠焚|(zhì)因數(shù)，因此本質(zhì)上導(dǎo)致了效率的降低。然而，100V增強(qiáng)型氮化鎵晶體管可以滿足直直變換器設(shè)計(jì)師對(duì)于傳輸更高效率，更高頻率方案的要求和挑戰(zhàn)。如表1所示，品質(zhì)因數(shù)值對(duì)比。

從表1中可以看到，相對(duì)比于40V MOSFET，100V MOSFET 的品質(zhì)因數(shù)值增加了2.3倍，門極驅(qū)動(dòng)功耗增加了2.4倍。然而，100V氮化鎵增強(qiáng)型功率晶體管卻顯示出格外好的開關(guān)性能，其品質(zhì)因數(shù)值甚至比40V MOSFET還要小。這些可以使得48V高功率密度通信處理電源在直直變換器架構(gòu)中達(dá)到高效率和高開關(guān)頻率的要求。

基于氮化鎵晶體管48V→12V直直變換器設(shè)計(jì)

為了對(duì)比氮化鎵技術(shù)和硅技術(shù)的實(shí)際性能，本文采用氮化鎵晶體管設(shè)計(jì)了一個(gè)48V轉(zhuǎn)12V直直變換器。在測試過程中，選擇了加拿大氮化鎵系統(tǒng)公司(GaN Systems)的晶體管GS61008P。該器件卓越的電氣特性可幫助實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率和高效率。其嵌入式封裝技術(shù)，GaNPX?，使得封裝上面具有很低的電感，并實(shí)現(xiàn)整體很低的環(huán)路電感，進(jìn)而減少噪聲，損耗，提高了效率。

在熱性能方面，該變換器不需要散熱片。GS61008P具體非常低的熱阻抗0.55°C/W，實(shí)現(xiàn)了低溫運(yùn)行。據(jù)氮化鎵系統(tǒng)公司推薦，兩個(gè)晶體管下面都設(shè)置了一些過孔，從而幫助把熱量傳導(dǎo)到地線層。在運(yùn)行電流10A，室溫25°C，氣流強(qiáng)度為500LFM條件下，上下兩個(gè)晶體管的結(jié)溫分別是43°C和42°C。

GS61008P氮化鎵增強(qiáng)型晶體管門極最佳工作電壓VGS為0V (關(guān)) 到 6V (開)。在門極驅(qū)動(dòng)方面，氮化鎵系統(tǒng)公司技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是門極驅(qū)動(dòng)很簡單并且具有寬操作范圍。從器件數(shù)據(jù)表可以看到，門極工作電壓推薦值范圍是0-6V，但是最高可以工作在7V DC，可以容許尖鋒電壓到10V。這種簡單的門極驅(qū)動(dòng)方式可以允許使用多種門極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)器件，在對(duì)器件不產(chǎn)生破壞的條件下，對(duì)于門極電壓上的紋波和噪聲有一定的耐受性。

采用氮化鎵晶體管的48V直直變換器最重要的設(shè)計(jì)考慮因素之一是當(dāng)一個(gè)晶體管關(guān)斷另一個(gè)晶體管開通時(shí)要減少死區(qū)時(shí)間。這是因?yàn)樵诘壴鰪?qiáng)型晶體管中沒有內(nèi)在的寄生體二極管，也不需要體二極管。當(dāng)?shù)壘w管被迫進(jìn)行反向?qū)〞r(shí)，反向電壓可以達(dá)到-2V或者更高。因此，死區(qū)時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通損耗會(huì)比較大。電源設(shè)計(jì)師可能考慮給氮化鎵晶體管并聯(lián)一個(gè)二極管，但是并不需要這樣做，并聯(lián)二極管可能會(huì)降低效率，且由于反向恢復(fù)電荷Qrr而增加噪聲。氮化鎵增強(qiáng)型晶體管因?yàn)闆]有體二極管，具有更高的反向電壓，但是氮化鎵晶體管因?yàn)闆]有反向恢復(fù)電荷Qrr可以節(jié)省功耗，對(duì)于通信系統(tǒng)來說，降低噪聲和EMI可能更加重要。圖3所示為死區(qū)時(shí)間，Td，約20ns。

為了研究門極驅(qū)動(dòng)電壓和死區(qū)時(shí)間對(duì)于效率產(chǎn)生的影響，對(duì)圖2所示的電路進(jìn)行了仿真，因此可以改變不同的參數(shù)。輸出功率設(shè)置為240W (12V, 20A)，門極驅(qū)動(dòng)電壓和死區(qū)時(shí)間為變量。從表2中結(jié)果可以看到GS66108P最理想的操作條件(最高效率)是當(dāng)門極電壓為6.0V，死區(qū)時(shí)間為15ns或者更小的時(shí)候。當(dāng)把門極電壓從6V降到5V時(shí)，電路額外消耗0.26W功耗，導(dǎo)致效率降低了0.1%。從另一方面死區(qū)時(shí)間來看，死區(qū)時(shí)間影響更大，使功耗增加了0.78W，效率降低了0.3%。這些數(shù)字可能看起來很小，但是當(dāng)爭取更高的整機(jī)效率，采用這種卓越的氮化鎵技術(shù)工作，理解如何優(yōu)化操作時(shí)就顯得格外重要。

在這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用了德州儀器的LM5113氮化鎵驅(qū)動(dòng)器，雖然它只支持門極電壓5.0V。LM5113的一個(gè)特點(diǎn)是它具有分開的輸出引腳HOH和HOL，允許開通方向使用更高的開通門極電阻，關(guān)斷方向使用更低的關(guān)斷門極電阻。因?yàn)榈壘w管的門限電壓大約是1.5V，使用兩個(gè)不同的門極電阻可以幫助完美控制開通和關(guān)斷波形，并且使用更小的關(guān)斷電阻可以幫助控制米勒效應(yīng)，確保電路下方的晶體管在關(guān)斷過渡期不會(huì)錯(cuò)誤地開通。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)特點(diǎn)是具有相對(duì)短的死區(qū)時(shí)間，大約25-45ns，很好地匹配了從下方晶體管開通到上方晶體管關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間8ns。

很快，具有更高驅(qū)動(dòng)電壓(6.0V)和更小延遲時(shí)間(15ns)的產(chǎn)品將會(huì)發(fā)布。UPI半導(dǎo)體公司在不久將來將會(huì)發(fā)布這一產(chǎn)品uP1964。它使得驅(qū)動(dòng)電壓優(yōu)化為6V，13.5nS延遲時(shí)間，5ns上升時(shí)間，因此未來將會(huì)提供甚至更高的效率。2014年，氮化鎵晶體管從氮化鎵系統(tǒng)公司(GaN Systems)涌現(xiàn)到市場，很多公司認(rèn)識(shí)到采用氮化鎵以達(dá)到更高效率的需求，已經(jīng)設(shè)計(jì)了更優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用在這些晶體管當(dāng)中。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)并測試了圖2中的參考電路，在不同的工作點(diǎn)下測量了效率。圖4描述了采用這一設(shè)計(jì)的測試結(jié)果，同時(shí)對(duì)比了另一相似參考設(shè)計(jì)電路中使用100V硅材料MOSFET在300kHz工作條件下的效率。

圖4清晰表明，在300kHz時(shí)，氮化鎵的效率比評(píng)價(jià)很高的100V硅材料MOSFET還要高出很多。這是因?yàn)榈壘w管更好的品質(zhì)因數(shù)，沒有反向恢復(fù)電荷Qrr損耗，以及非常低的門極驅(qū)動(dòng)損耗。在48V系統(tǒng)中使用100V器件，采用氮化鎵晶體管會(huì)取得最高的效率。

在300 kHz下開始測試效率，采用10uH Coilcraft電感，型號(hào)為SER2918H-103。然后頻率被調(diào)節(jié)為1MHz，2uH Coilcraft電感，大約體積比之前縮小5倍。這些表明設(shè)計(jì)更高功率密度的直直變換器同時(shí)仍然可以達(dá)到很高的效率。最后，測試了2MHz，依然取得很高效率，穩(wěn)定的設(shè)計(jì)。

結(jié)論

48V數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)將要求直直變換器設(shè)計(jì)者們學(xué)習(xí)如何使用100V晶體管使效率最大化。當(dāng)在100V甚至40V下對(duì)比氮化鎵增強(qiáng)型晶體管和硅材料MOSFET時(shí)，氮化鎵增強(qiáng)型晶體管具有更好的品質(zhì)因數(shù)，門極驅(qū)動(dòng)特性，使得設(shè)計(jì)者們?nèi)〉酶哳l率，高功率密度設(shè)計(jì)，以及非常高的效率等級(jí)。