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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

發(fā)布時間:2021-04-02 來源:陳迪, 徐建淳 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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處理,在電力基礎(chǔ)設(shè)施,冷卻和能量儲存方面已經(jīng)達到了系統(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,并且隨著時間的推移,這種情況會愈演愈烈。
 
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
 
解決這個問題的一個方案是重新構(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加入開放計算項目,貢獻該公司自2012年以來在使用48V分布式電力系統(tǒng)方面的知識和經(jīng)驗。這在解決問題的同時又產(chǎn)生了一個新的挑戰(zhàn):對于通信和數(shù)據(jù)卡的電力設(shè)計師們,他們?nèi)绾文茉?8V供電直直變換器中實現(xiàn)更高的效率,更小的體積,同時提高電源的功率等級呢?
 
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)計師們使用100V MOSFET,因為它們具有更高的品質(zhì)因數(shù),因此本質(zhì)上導(dǎo)致了效率的降低。然而,100V增強型氮化鎵晶體管可以滿足直直變換器設(shè)計師對于傳輸更高效率,更高頻率方案的要求和挑戰(zhàn)。如表1所示,品質(zhì)因數(shù)值對比。
 
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
 
從表1中可以看到,相對比于40V MOSFET,100V MOSFET 的品質(zhì)因數(shù)值增加了2.3倍,門極驅(qū)動功耗增加了2.4倍。然而,100V氮化鎵增強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
 
為了對比氮化鎵技術(shù)和硅技術(shù)的實際性能,本文采用氮化鎵晶體管設(shè)計了一個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,并實現(xiàn)整體很低的環(huán)路電感,進而減少噪聲,損耗,提高了效率。
 
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
 
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,實現(xiàn)了低溫運行。據(jù)氮化鎵系統(tǒng)公司推薦,兩個晶體管下面都設(shè)置了一些過孔,從而幫助把熱量傳導(dǎo)到地線層。在運行電流10A,室溫25°C,氣流強度為500LFM條件下,上下兩個晶體管的結(jié)溫分別是43°C和42°C。
 
GS61008P氮化鎵增強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)動方面,氮化鎵系統(tǒng)公司技術(shù)的一個特點是門極驅(qū)動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)動方式可以允許使用多種門極驅(qū)動器來驅(qū)動器件,在對器件不產(chǎn)生破壞的條件下,對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)計考慮因素之一是當(dāng)一個晶體管關(guān)斷另一個晶體管開通時要減少死區(qū)時間。這是因為在氮化鎵增強型晶體管中沒有內(nèi)在的寄生體二極管,也不需要體二極管。當(dāng)?shù)壘w管被迫進行反向?qū)〞r,反向電壓可以達到-2V或者更高。因此,死區(qū)時間內(nèi)的導(dǎo)通損耗會比較大。電源設(shè)計師可能考慮給氮化鎵晶體管并聯(lián)一個二極管,但是并不需要這樣做,并聯(lián)二極管可能會降低效率,且由于反向恢復(fù)電荷Qrr而增加噪聲。氮化鎵增強型晶體管因為沒有體二極管,具有更高的反向電壓,但是氮化鎵晶體管因為沒有反向恢復(fù)電荷Qrr可以節(jié)省功耗,對于通信系統(tǒng)來說,降低噪聲和EMI可能更加重要。圖3所示為死區(qū)時間,Td,約20ns。
 
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
 
為了研究門極驅(qū)動電壓和死區(qū)時間對于效率產(chǎn)生的影響,對圖2所示的電路進行了仿真,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)動電壓和死區(qū)時間為變量。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)時間為15ns或者更小的時候。當(dāng)把門極電壓從6V降到5V時,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)時間來看,死區(qū)時間影響更大,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)化操作時就顯得格外重要。
 
在這個設(shè)計當(dāng)中,采用了德州儀器的LM5113氮化鎵驅(qū)動器,雖然它只支持門極電壓5.0V。LM5113的一個特點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。因為氮化鎵晶體管的門限電壓大約是1.5V,使用兩個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)斷過渡期不會錯誤地開通。這個驅(qū)動器的另一個特點是具有相對短的死區(qū)時間,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)時間8ns。
 
很快,具有更高驅(qū)動電壓(6.0V)和更小延遲時間(15ns)的產(chǎn)品將會發(fā)布。UPI半導(dǎo)體公司在不久將來將會發(fā)布這一產(chǎn)品uP1964。它使得驅(qū)動電壓優(yōu)化為6V,13.5nS延遲時間,5ns上升時間,因此未來將會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)識到采用氮化鎵以達到更高效率的需求,已經(jīng)設(shè)計了更優(yōu)化的驅(qū)動器應(yīng)用在這些晶體管當(dāng)中。
 
實驗結(jié)果
 
本文設(shè)計并測試了圖2中的參考電路,在不同的工作點下測量了效率。圖4描述了采用這一設(shè)計的測試結(jié)果,同時對比了另一相似參考設(shè)計電路中使用100V硅材料MOSFET在300kHz工作條件下的效率。
 
圖4清晰表明,在300kHz時,氮化鎵的效率比評價很高的100V硅材料MOSFET還要高出很多。這是因為氮化鎵晶體管更好的品質(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)動損耗。在48V系統(tǒng)中使用100V器件,采用氮化鎵晶體管會取得最高的效率。
 
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)計更高功率密度的直直變換器同時仍然可以達到很高的效率。最后,測試了2MHz,依然取得很高效率,穩(wěn)定的設(shè)計。
 
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下對比氮化鎵增強型晶體管和硅材料MOSFET時,氮化鎵增強型晶體管具有更好的品質(zhì)因數(shù),門極驅(qū)動特性,使得設(shè)計者們?nèi)〉酶哳l率,高功率密度設(shè)計,以及非常高的效率等級。
 
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
 
 
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