NEST030 February 2024 LMG2100R044 , LMG3100R017
簡介
隨著技術(shù)快速擴展，意味著對於電力的需求也節(jié)節(jié)攀升。爲了持續(xù)推動此擴展態(tài)勢，業(yè)界也日益將太陽能等更多的可再生能源部署至電網(wǎng)中。同樣地，伺服器的需求也呈指數(shù)級增長，以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理，大數(shù)據(jù)儲存和人工智慧 (AI)。設(shè)計人員為因應全球趨勢正面臨著一項艱鉅任務(wù)：持續(xù)提昇設(shè)計效率，同時維持提升設(shè)計的效率，同時以相同的體積提供更多電力。
這樣的挑戰(zhàn)已推動業(yè)界在高電壓電源設(shè)計中採用氮化鎵 (GaN) 採用，原因在於 GaN 具有兩大優(yōu)勢：
- 增加功率密度。GaN 具備更高的切換頻率，讓設(shè)計人員能夠使用電感器與電容器等較小尺寸的被動元件，進而縮減電路板尺寸。
- 提升效率。相較於矽晶設(shè)計， GaN 優(yōu)異的切換和傳導損耗性能可降低 >50% 的損失。
除了業(yè)界採用的高電壓 GaN (額定 >=600V) 外，新的中電壓 GaN 解決方案 (額定 80V-200V) 也越來越受歡迎，其可在電源系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的功率密度和效率，而以往的高電壓 GaN 無法支援這點。
在此文章中，我將說明目前正逐漸廣泛採用 GaN 的四大主要中電壓應用領(lǐng)域。
應用領(lǐng)域 1：太陽能
太陽能是成長最快速的可再生能源來源，從 2021 年至 2022 年期間上升了 26%，預計未來七至八年將以約 11.5% 的年複合增長率拓展產(chǎn)能。隨著太陽能面板設(shè)備數(shù)量增加，對於系統(tǒng)效率和功率密度的需求也隨之攀升，原因在於這是一項需要佔用大量空間的技術(shù)。在太陽能面板子系統(tǒng)方面，LMG2100R044 和 LMG3100R017 裝置有助於縮減 40% 以上的系統(tǒng)尺寸。
太陽能主要是由太陽能面板上兩種類型的子系統(tǒng)來啓用：一個由逆變器階段伴隨在後的升壓階段，用於將直流電壓範圍轉(zhuǎn)換爲交流電壓 (參閱 圖 1)，以及一個降壓和升壓階段，其中的功率最佳化工具會將變化的直流電壓轉(zhuǎn)換爲通用直流電壓電平 (使用最大功率點追蹤)，以傳輸至串列式逆變器 (參閱 圖 2)。
圖 1 微逆變器原理圖
圖 2 功率最佳化工具原理圖應用領(lǐng)域 2：伺服器
鑑於我們?nèi)蕴庫度斯ぶ腔鄹锩脑缙陔A段，對於伺服器執(zhí)行複雜機器學習演算法，以及支援儲存更大更複雜資料集的需求將呈指數(shù)增長。每個階段的效率要求皆為 >98% 的高密度設(shè)計將實現(xiàn)這些增強的處理與儲存需求。
如 圖 3 中所示，伺服器電源應用中的三個主要系統(tǒng)可使用 100V 至 200V GaN：
- 電源設(shè)備單元 (PSU)。開放運算專案的變化使得 48V 輸出日益普及；不過，所需的 80V 與 100V 矽解決方案與先前的解決方案相比，損耗 (閘極驅(qū)動與重疊損耗) 明顯大幅增加。LMG3100 等 GaN 解決方案可協(xié)助將電感器-電感器-電容器階段 (LLC 階段) 次級同步整流器的損耗降至最低。
- 中間匯流排轉(zhuǎn)換器 (IBC)。此系統(tǒng)會將 PSU 輸出的中間電壓 (48V) 轉(zhuǎn)換爲較低電壓，然後再傳輸至伺服器。隨著 48V 電壓位準日益普及，IBC 有助於在伺服器子系統(tǒng)分配期間減少 I2R 損失，並能大幅降低匯流排及載電線路的尺寸和成本。IBC 的缺點是額外增加了一個電源轉(zhuǎn)換步驟，這可能會降低效率。因此，除了 OEM 測試的數(shù)種高效率與功率密度最佳組合新拓撲結(jié)構(gòu)外，還必須運用 LMG2100 和 LMG3100 等高效率 GaN 裝置。
- 電池備援單元。降壓升壓級通常會將電池電壓 (48V) 轉(zhuǎn)換為匯流排電壓 (48V)。當主電源線路關(guān)閉且功率流爲雙向時，您也可以使用 BBU 進行電池電源轉(zhuǎn)換。不斷電系統(tǒng)使用此階段的原因，在於其僅會透過電池直接執(zhí)行一次直流至直流的轉(zhuǎn)換，以避免在「直流-交流-直流」的轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生損失。
圖 3 伺服器電源原理圖應用領(lǐng)域 3：電信功率
電信無線電中的電源供應器有可能成爲 GaN 設(shè)計。由於無線電通常只在自然冷卻的情況下安裝於室外，因此具備高效率至關(guān)緊要。此外，行動網(wǎng)路世代更迭 (5G、6G) 需要更高的網(wǎng)路速度和資料處理效能，因此需要採用損耗極低的高密度設(shè)計。LMG2100 可協(xié)助將這些類型的設(shè)計功率密度提升 >40%。
在一般的中電壓應用中，GaN 會將負電池電壓位準 (通常為 –48V) 的電源轉(zhuǎn)換為使用反相降壓升壓或順向轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)為 +48V 的功率放大器供電，或使用降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場可編程閘極陣列及其他 DC 負載供電。
應用領(lǐng)域 4：馬達驅(qū)動
是，您可在馬達驅(qū)動電路中使用 GaN。這些應用是多元的，且包含具有不同負載設(shè)定檔的機器人，電動工具驅(qū)動器與雙輪牽引逆變器設(shè)計。GaN 的零反向復原 (由於沒有本體二極體) 會導致二極體反向偏壓電流無安定時間，進而降低失效時間損失並提升效率。如我先前所提，由於 GaN 的切換頻率較高，因此電流漣波較低，可縮減被動元件尺寸並產(chǎn)生更精細的馬達驅(qū)動設(shè)計。
圖 4 描述 GaN 整合至馬達驅(qū)動器的方式。
圖 4 馬達驅(qū)動器原理圖結(jié)論
GaN 有潛力取代整個電路板中電壓應用中的傳統(tǒng)矽晶 FET。其他適用 100V 至 200V GaN 的應用領(lǐng)域包括通用 DC/DC 轉(zhuǎn)換、D 類音訊放大器，以及電池測試和形成設(shè)備。GaN 亦可提供較高切換頻率與較低功率損耗，而這些優(yōu)點會透過簡化功率設(shè)計的整合式功率級變得更加顯著。