GaN：解決能源危機(jī)的一把鑰匙

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)[1]在2016年所做的一項(xiàng)研究表明,2020年美國(guó)數(shù)據(jù)中心將要消耗的能源預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到730億千瓦時(shí)——這是一個(gè)天文數(shù)字。只要我們對(duì)計(jì)算密集型數(shù)據(jù)服務(wù)的需求不斷增加,那么,在更小的空間內(nèi)提供更多能量以盡可能高效地運(yùn)行這些中心,就會(huì)是必然趨勢(shì)。

而這種能源使用情況僅代表數(shù)據(jù)中心。其實(shí),電信、工業(yè)自動(dòng)化、汽車和許多其他系統(tǒng)也同樣需要提供高密度的電源系統(tǒng)。

提高電力傳輸效率的一種方法是利用包括氮化鎵(GaN)在內(nèi)的新的能源半導(dǎo)體技術(shù)。與傳統(tǒng)的硅解決方案相比,GaN在開關(guān)性能方面具有本質(zhì)上優(yōu)越的器件屬性,當(dāng)它部署在開關(guān)電源中時(shí),可高效供電,將效率提高到前所未有的高度。進(jìn)而幫助最終用戶從根本上節(jié)約能源、降低操作成本并減少排放到大氣中的碳排放量。

GaN也面臨著挑戰(zhàn)。過去,這些挑戰(zhàn)與制造和提供高質(zhì)量、可靠GaN的能力相關(guān)。然而,隨著整個(gè)行業(yè)制造工藝的改進(jìn)和采用率的增加,挑戰(zhàn)逐漸集中到實(shí)施和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。要實(shí)現(xiàn)更高的效率,不僅需要用GaN替換硅,因?yàn)槟壳暗募夹g(shù)已經(jīng)能夠支持系統(tǒng)級(jí)別的改變,此舉大大提升了效率。技術(shù)賦予設(shè)計(jì)工程師提高壓擺率、開關(guān)頻率并把功耗降至更低的能力。

圖1．比較GaN vs． Si的設(shè)備損耗

另外,高頻工作對(duì)解決方案成本有積極影響,這是因?yàn)樽儔浩骱碗姼衅鞯缺匾旁捏w積、重量和所需材料都有所減少。

從GaN內(nèi)在優(yōu)勢(shì)獲益較多的應(yīng)用是開關(guān)模式電源。

1-kW GaN解決方案:從AC到POL的功率密度翻了三倍

圖2．在電源的所有級(jí)中,GaN解決方案能縮小規(guī)模,提高效率。

圖3．GaN PFC拓?fù)洹?/p>

PFC級(jí)(圖3)使用高效率圖騰柱拓?fù)?從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)一無(wú)二的高功率密度、高效率和低功耗組合,而類似的基于硅的設(shè)計(jì)卻無(wú)法做到這一點(diǎn)。與使用硅的傳統(tǒng)二極管橋式升壓PFC相比,此級(jí)的效率超過99%,功耗降低10W以上。

高壓DC/DC級(jí)采用了高效的諧振邏輯鏈路控制(LLC)轉(zhuǎn)換器(圖 4)。雖然在LLC轉(zhuǎn)換器中使用硅是很普遍的,但是GaN的優(yōu)點(diǎn)在于把功率密度提高了50%,將開關(guān)頻率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。1-MHz基于GaN的LLC要求變壓器尺寸比100-kHz基于硅的LLC設(shè)計(jì)所采用的變壓器要小六分之一。

圖4．GaN LLC拓?fù)洹?/p>

圖6．實(shí)際和潛在的GaN應(yīng)用領(lǐng)域。

使用GaN解決方案,提高脈寬調(diào)制(PWM)頻率并降低開關(guān)損耗,這有助于驅(qū)動(dòng)極低電感的永久磁性和無(wú)刷直流電機(jī)。這些特性還使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小化,從而在伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)器中實(shí)現(xiàn)精確定位,支持高速電機(jī)在無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電壓。

圖7．GaN逆變器。100kHz 3級(jí)設(shè)計(jì)。