隨著世界對數(shù)據(jù)的需求增長看似失控，一個真正的問題出現(xiàn)在必須處理這種流量的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。充滿通信處理和存儲處理的數(shù)據(jù)中心和基站已經(jīng)將其電力基礎(chǔ)設(shè)施、冷卻和能源存儲擴(kuò)展到了極限。然而，隨著數(shù)據(jù)流量的持續(xù)增長，安裝了更高密度的通信和數(shù)據(jù)處理板，從而消耗更多功率。2012 年，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的通信耗電量占 ICT 行業(yè)總耗電量的 35%。到 2017 年，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心將使用 50% 的電力，并將繼續(xù)增長。

該問題的一種解決方案是重新設(shè)計數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，從沿背板分配 12V 電源到在背板上分配 48V 電源。就在最近，2016 年 3 月，谷歌在美國宣布將加入開放計算項目，并貢獻(xiàn)其使用 48V 分布式電源系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗(自 2012 年以來)。雖然這有助于解決一個問題，但也帶來了另一個問題：通信和數(shù)據(jù)處理卡的電源設(shè)計人員如何提高由 48V 提供的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率、尺寸和功率水平?

在當(dāng)今的架構(gòu)中，使用 12V 背板，業(yè)界能夠使用具有非常好的品質(zhì)因數(shù) (FOM) 特性的 40V MOSFET，從而能夠在高頻下進(jìn)行開關(guān)，提供高效率和高功率密度。使用 48V 背板迫使 DC-DC 設(shè)計人員使用 100V MOSFET，它具有明顯更高的 FOM 值，因此本質(zhì)上效率較低。然而，100V 增強(qiáng)模式 GaN 器件能夠通過提供非常高效率的高頻解決方案來應(yīng)對 DC-DC 設(shè)計人員的挑戰(zhàn)。

GaN 48V→12V DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

為了比較 GaN 技術(shù)與硅技術(shù)的實際性能，使用 GaN 晶體管創(chuàng)建了 48V 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器。本次測試使用了來自加拿大 GaN Systems 的 GS61008P。該器件卓越的電氣特性可實現(xiàn)高頻率和高效率。被稱為 GaN PX的嵌入式封裝技術(shù)可實現(xiàn)非常低的封裝電感和非常低的整體電感環(huán)路，從而降低噪聲、損耗并提高效率。

在熱方面，該轉(zhuǎn)換器不使用散熱器。GS61008P 具有 0.55 °C/W 的極低熱阻抗，可在低溫下運行。正如 GaN Systems 所推薦的那樣，兩個器件下方都使用了通孔，以幫助將熱量傳導(dǎo)到接地層。在 10 安培的工作電流、25°C 和 500 線性英尺每分鐘 (LFM) 氣流下，頂部和底部器件結(jié)溫分別為 43°C 和 42°C。

GS61008P GaN E-HEMT 晶體管在柵極電壓為 0V (OFF) 至 6V (ON) 時運行最佳。GaN Systems 技術(shù)在柵極驅(qū)動方面的一個具體特點是簡單且容差大的柵極驅(qū)動電平。從數(shù)據(jù)表中可以看出，推薦柵極電壓在 0-6V 范圍內(nèi)工作，但設(shè)計用于最大 7V DC 電壓，并且可以承受高達(dá) 10V 的柵極尖峰電壓。這種非常簡單的柵極驅(qū)動使該器件更易于與許多柵極驅(qū)動器一起使用，并允許在柵極電壓存在一定的容差、紋波和噪聲，而不會威脅到損壞器件。

對于使用 GaN 晶體管的 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換器而言，最關(guān)鍵的設(shè)計考慮之一是最小化一個晶體管關(guān)閉與另一個晶體管開啟之間的死區(qū)時間。這是因為在 GaN E-HEMT 晶體管中沒有本征的寄生二極管，也不需要一個。當(dāng)GaN晶體管被迫反向?qū)娏鲿r，反向電壓可高達(dá)-2V或更高。因此，這段時間的傳導(dǎo)損耗可能很高。人們可能會考慮使用與 GaN 晶體管并聯(lián)的二極管，但這不是必需的，并且由于 Qrr 效應(yīng)可能會降低效率并增加噪聲。由于沒有二極管，GaN E-HEMT 具有更高的反向電壓。但是由于 GaN 沒有 Qrr(反向恢復(fù)電荷)，它可以節(jié)省電力，而且可能更重要的是在通信系統(tǒng)中，顯著降低噪聲和 EMI。

為了研究柵極電壓和死區(qū)時間對效率的影響，對電路進(jìn)行了仿真，以便改變參數(shù)。輸出功率設(shè)置為 240W(12V，20A)，柵極驅(qū)動和死區(qū)時間不同。表 2表明 GS66108P 的理想(最高效率)工作是在柵極驅(qū)動電壓為 6.0V 且死區(qū)時間為 15ns 或更短時。通過將柵極驅(qū)動從 6V 調(diào)低至 5V，電路的功耗增加了 0.26W，導(dǎo)致效率略有下降 0.1%。另一方面，對死區(qū)時間的影響更為顯著，功率損耗增加 0.78W 或效率降低 0.3%。這些數(shù)字可能看起來很小，但在追求最高的整體效率時，使用這種卓越的 GaN 技術(shù)并了解如何優(yōu)化其操作非常重要。

對于此設(shè)計，使用了 Texas Instruments 的 LM5113 GaN 驅(qū)動器，盡管它僅支持 5.0V 的柵極電壓。LM5113 的一個特點是獨立的輸出引腳 HOH 和 HOL，允許在 ON 方向使用更高的柵極電阻，在 OFF 方向使用更低的柵極電阻。由于這些 GaN 晶體管的閾值電壓約為 1.5V，因此具有兩個不同的電阻器有助于完美地控制開啟和關(guān)閉波形。此外，使用較低的關(guān)斷電阻器有助于管理米勒效應(yīng)，確保在關(guān)斷過渡期間較低的晶體管不會被錯誤地打開。該驅(qū)動器的另一個特點是延遲時間相對較短，約為 25-45ns，與從 LOW 側(cè)打開到 HIGH 側(cè)關(guān)閉的 8ns 延遲時間非常匹配。

很快，將發(fā)布具有更高柵極驅(qū)動 (6.0V) 和更低延遲時間 (15nS) 的產(chǎn)品。UPI Semiconductor 即將發(fā)布的此類產(chǎn)品是 uP1964。它將允許柵極驅(qū)動優(yōu)化至 6V，具有 13.5nS 的延遲時間和 5ns 的上升時間，因此在未來將提供更高的效率。GaN 晶體管于 2014 年從 GaN Systems 進(jìn)入市場，許多公司認(rèn)識到需要使用 GaN 來提高效率，因此設(shè)計了與這些晶體管一起使用的優(yōu)化柵極驅(qū)動器。

實驗結(jié)果

專家描繪了運行此參考設(shè)計時的測試結(jié)果，并將 300 kHz 的效率與使用 100V 硅 MOSFET 的類似參考設(shè)計進(jìn)行了比較。清楚地表明，在 300 kHz 時，GaN 的效率大大高于額定值非常高的 100V 硅 MOSFET。這是由于更好的 FOM 數(shù)據(jù)、沒有 Qrr 損耗以及顯著降低的柵極驅(qū)動損耗。對于使用 100V 器件的 48V 系統(tǒng)，應(yīng)使用 GaN 晶體管以實現(xiàn)最高效率。

效率測試從 300 kHz 開始，使用 10uH Coilcraft 電感器，部件號為 SER2918H-103。然后將頻率調(diào)整為 1MHz，并使用了一個大約小 5 倍的 2uH Coilcraft 電感器。這表明可以設(shè)計出更高密度的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但仍能達(dá)到非常高的效率值。最后，該單元在 2MHz 下進(jìn)行了測試，再次產(chǎn)生了非常高效、穩(wěn)定的設(shè)計。

最后的分析

48V 數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)將要求 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員學(xué)習(xí)如何使用 100V 晶體管最大限度地提高效率。與 100V 甚至 40V 的硅 MOSFET 相比，GaN E-HEMT 晶體管顯著提高了 FOM 和柵極驅(qū)動性能，使設(shè)計人員能夠以非常高的效率水平實現(xiàn)高頻、高功率密度設(shè)計。