四种将被氮化镓革新电子设计的中压应用

时间: 2024-09-23 17:54:05 |   作者: AC电源接口

  随着技术的迅速发展，人们对电源的需求亦在不断攀升。为了可持续地推动这一发展，太阳能等可再次生产的能源被慢慢的变多地用于电网供电。同样，为实现更快的数据处理、大数据存储以及人工智能 (AI)，服务器的需求也在呈指数级增长。鉴于这些趋势，设计人员面临着一项重大挑战：如何在持续提升设计效率的同时，在相同的尺寸内实现更高的功率。

  这一挑战已经推动了氮化镓 (GaN) 在高压电源设计中的广泛应用，原因主要在于 GaN 具有两大优势：

   提高功率密度。GaN 的开关频率较高，使设计人员可使用体积更小的无源器件（如电感器和电容器），从而缩小电路板的尺寸。

   提升效率。相较于硅设计，GaN 出色的开关和导通损耗性能可将损耗降低 50% 以上。

  除了业界已经采用的高压 GaN（额定值>

  =600V）外，新的中压 GaN 解决方案（额定值 80V-200V）也日益受到欢迎，可在高压 GaN 之前没办法支持的电源系统中实现更高的功率密度和效率。

  这篇文章将详述四个主要的中压应用领域，这些领域正在逐渐采用 GaN 技术。

  太阳能是发展最快的可再次生产的能源，从 2021 年到 2022 年增长了 26%，预计在未来七到八年内，太阳能利用将以约 11.5% 的复合年增长率发展。随着太阳能电池板安装数量的增加，人们对系统效率和功率密度的需求也将随之增长，因为这是一种对空间需求较高的技术。对于太阳能电池板子系统而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017 器件有助于将系统尺寸缩小 40% 以上。

  太阳能主要是通过太阳能电池板的两种子系统得以实现：一种是升压级后跟逆变器级，将直流电压范围转换为交流电压（如图 1 所示）；另一种是降压和升压级，其中电源优化器将一直在变化的直流电压转换为常见的直流电压电平（利用上限功率点跟踪），以输送到串式逆变器（如图 2 所示）。

  考虑到我们仍处在人工智能革命的初期阶段，为了运行复杂的机器学习算法并实现更大、更复杂数据集的存储，服务器的需求将呈指数级增长。要求每个级的效率高于 98% 的高密度设计将能够很好的满足这些增强型处理和存储需求。

  如图 3 所示，服务器电源应用中的三个主要系统能采用 100V 至 200V 的 GaN：

   电源单元 (PSU)。开放计算项目的变化正在提升 48V 输出的热度；然而，所需 80V 和 100V 硅解决方案的损耗（栅极驱动和重叠损耗）相较于以前的解决方案有大幅度增长。诸如 LMG3100 等 GaN 解决方案有助于尽可能减小电感-电感-电容器级（LLC 级）次级侧同步整流器中的上述损耗。

   中间总线转换器 (IBC)。此系统将 PSU 输出的中间电压 (48V) 转换为较低的电压，然后传送至服务器。随着 48V 电压电平的流行，IBC 有助于减少服务器子系统中的 I2R 损耗，并使汇流条和电力传输线的尺寸和成本都得到降低。IBC 的缺点是其在电源转换中又增加了一步，可能会对效率产生一定的影响。因此，除了 OEM 经测试可获得高效率和高功率密度最佳组合的几种新拓扑外，请务必充分的利用 LMG2100 和 LMG3100 等高效 GaN 器件。

   电池备份单元。降压/升压级通常将电池电压 (48V) 转换为总线V)。当市电线路断电且电力流为双向时，您也能够正常的使用电池备份单元进行电池电源转换。不间断电源之所以使用此级，是因为它仅通过电池直接执行一次直流/直流转换，避免了由直流/交流/直流转换引起的损耗。

  在电信无线电设备中，电源有可能采用 GaN 设计。由于无线电设备通常安置在户外，仅依赖自然冷却，因此高效率显得很重要。此外，随着移动网络（如 5G、6G）的慢慢地发展，加快网络速度和数据处理的需求也在增加，因此就需要具有极低损耗的高密度设计。LMG2100 有助于将此类设计的功率密度提高 40% 以上。

  在典型的中压应用中，GaN 将负电池电压电平（通常为 -48V）的电源，利用反向降压/升压或正向转换器拓扑转换为适用于功率放大器的 +48V 电源，或者利用降压转换器拓扑为现场可编程门阵列和其他直流负载供电。

  没错，您可以在电机驱动电路中使用 GaN，其应用领域广泛，包括机器人、电动工具驱动以及两轮牵引逆变器设计等负载曲线不同的应用。GaN 的零反向恢复特性（因为不存在体二极管）导致二极管反向偏置电流没有稳定时间，以此来降低了死区损失，提高了效率。如前所述，GaN 的开关频率更高，电流纹波更低，这样就能减小无源器件的尺寸，以此来实现更平滑的电机驱动设计。

  在各种中压应用中，GaN 有潜力取代传统的硅 FET。100V 至 200V GaN 的其他应用领域包括通用直流/直流转换、D 类音频放大器，以及电池测试和化成设备。此外，GaN 还能提供更高的开关频率和更低的功率损耗，这些优势在简化电源设计的集成电源级中尤为突出。

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