氮化镓 (GaN) 带来电源管理变革的 3 大原因

2023-04-19 11:11:07 来源:EETOP

氮化镓正取代硅,越来越多地用于需要更大功率密度和更高能效的应用中

 

作为提供不间断连接的关键,许多数据中心依赖于日益流行的半导体技术来提高能效和功率密度。 

氮化镓技术,通常称为 GaN,是一种宽带隙半导体材料,越来越多地用于高电压应用。这些应用需要具有更大功率密度、更高能效、更高开关频率、更出色热管理和更小尺寸的电源。除了数据中心,这些应用还包括 HVAC 系统、通信电源、光伏逆变器和笔记本电脑充电电源。 

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德州仪器 GaN 产品线负责人 David Snook 表示:“氮化镓是提高功率密度和提高多种应用中电源系统和电源效率的关键一步。在设计中使用 GaN 的公司数量正在迅速增长。降低功耗和提高效率至关重要。” 

在过去 60 多年里,硅一直是半导体电源管理元件的基础,这些元件将交流 (AC) 转换为直流 (DC),然后根据各种应用需求将直流电压输入进行转换,从手机到工业机器人,不一而足。随着元件的改进和优化,硅的物理特性已得到充分应用。如今,在不增加尺寸的前提下,硅已无法在所需的频率下提供更高功率。 

因此,在过去十年间,许多电路设计人员转向采用 GaN,以便在更小的空间里实现更高功率。许多设计人员对于该技术将在未来创新中发挥的潜能充满信心,主要归因于以下三点: 

原因 1:GaN 已取得发展。 

做为半导体应用,尽管 GaN 相对于硅来说较新,但已经发展了多年并具有一定可靠性。德州仪器 GaN 芯片通过了 4,000 万小时以上的可靠性测试。即使在数据中心等要求严苛的应用中,其有效性也显而易见。 

David 表示:“随着消费者和企业对人工智能、云计算和工业自动化等应用的数据量的需求不断增长,全球范围内需要越来越多的数据中心。要使数据中心在不会过量增加能耗的前提下上线,需要实现更高效的服务器电源,而 GaN 是实现这类电源的关键技术。” 

原因 2:使用 GaN 的系统级设计可节省成本。 

尽管现在按芯片级别比较,GaN 比硅昂贵,但 GaN 所带来的整个系统的成本优势、效率和功率密度的提高超过了初始投资的价值。例如,在 100 兆瓦数据中心中,使用基于 GaN 的电源管理系统,即使效率增益仅为 0.8%,也能在 10 年间节约 700 万美元的能源成本。节约的能源足够 80,000 个家庭,也就是大约一个小型城市,使用一年。 

德州仪器电源设计服务团队总经理 Robert Taylor 表示:“GaN 技术可在较高频率下运行,进而可实现一些具有更低物料清单成本的拓扑和架构。得益于较高的运行频率,工程师还可以在设计中选择较小型的其他元件。GaN 提供了硅芯片所不支持的拓扑,使得工程师可以灵活优化其电源设计。”  

原因 3:通过集成提升了性能和易用性。 

GaN FET 需要专用的栅极驱动器,这意味着需要额外的设计时间和工作量。不过,德州仪器通过在芯片中集成栅极驱动器和一些保护功能,简化了 GaN 设计。 

David 表示:“集成驱动器有助于提高性能并提供更高的功率密度和更高的开关频率,从而提升效率并降低整体系统尺寸。集成提供巨大的性能优势并使用 GaN 简化设计,可使设计人员更大程度地利用这项技术的优势。” 

性能优势 

David 说:“客户会很高兴看到我们的参考设计,比如适用于数据中心的 5 千瓦图腾柱功率因数校正设计所展示的 GaN 的性能优势。他们一旦认识到可以以更小的解决方案尺寸实现更高的效率,或者以同样的外形尺寸实现更高的功率水平,这会促使他们转向使用 GaN。” 

例如,一些模块化家用空调设备制造公司采用 GaN 进行设计,将电源效率提高了 5%。 

Robert 表示:“从空调耗能的角度来看,这个数字意义重大,提高 5% 的效率可以节省一大笔资金。能用 GaN 器件实现这点真是太棒了。”

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