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作者：德州儀器 引言 隨著(zhù)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對電源的需求亦在不斷攀升。為了可持續地推動(dòng)這一發(fā)展，太陽(yáng)能等可再生能源被越來(lái)越多地用于電網(wǎng)供電。同樣，為了實(shí)現更快的數據處理、大數據存儲以及人工智能 (AI)，服務(wù)器的需求也在呈指數級增長(cháng)。鑒于這些趨勢，設計人員面臨著(zhù)一項重大挑戰：如何在持續提升設計效率的同時(shí)，在相同的尺寸內實(shí)現更高的功率。 這一挑戰已經(jīng)推動(dòng)了氮化鎵 (GaN) 在高壓電源設計中的廣泛應用，原因在于 GaN 具有兩大優(yōu)勢： • 提高功率密度。GaN 的開(kāi)關(guān)頻率較高，使設計人員能夠使用體積更小的無(wú)源器件（如電感器和電容器），從而縮小電路板的尺寸。 • 提升效率。相較于硅設計，GaN 出色的開(kāi)關(guān)和導通損耗性能可將損耗降低 50% 以上。 除了業(yè)界已經(jīng)采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到歡迎，可在高壓 GaN 之前無(wú)法支持的電源系統中實(shí)現更高的功率密度和效率。 這篇文章將詳述四個(gè)主要的中壓應用領(lǐng)域，這些領(lǐng)域正在逐漸采用 GaN 技術(shù)。 應用領(lǐng)域 1：太陽(yáng)能 太陽(yáng)能是發(fā)展最快的可再生能源，從 2021 年到 2022 年增長(cháng)了 26%，預計在未來(lái)七到八年內，太陽(yáng)能利用將以約 11.5% 的復合年增長(cháng)率發(fā)展。隨著(zhù)太陽(yáng)能電池板安裝數量的增加，人們對系統效率和功率密度的需求也將隨之增長(cháng)，因為這是一種對空間需求較高的技術(shù)。對于太陽(yáng)能電池板子系統而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017 器件有助于將系統尺寸縮小 40% 以上。 太陽(yáng)能主要通過(guò)太陽(yáng)能電池板的兩種子系統得以實(shí)現：一種是升壓級后跟逆變器級，將直流電壓范圍轉換為交流電壓（如圖 1 所示）；另一種是降壓和升壓級，其中電源優(yōu)化器將不斷變化的直流電壓轉換為常見(jiàn)的直流電壓電平（利用最大功率點(diǎn)跟蹤），以輸送到串式逆變器（如圖 2 所示）。 
圖 1 微型逆變器框圖
圖 2 電源優(yōu)化器框圖 應用領(lǐng)域 2：服務(wù)器 考慮到我們仍處在人工智能革命的初期階段，為了運行復雜的機器學(xué)習算法并實(shí)現更大、更復雜數據集的存儲，服務(wù)器的需求將呈指數級增長(cháng)。要求每個(gè)級的效率高于 98% 的高密度設計將能夠滿(mǎn)足這些增強型處理和存儲需求。 如圖 3 所示，服務(wù)器電源應用中的三個(gè)主要系統可以采用 100V 至 200V 的 GaN： • 電源單元 (PSU)。開(kāi)放計算項目的變化正在提升 48V 輸出的熱度；然而，所需 80V 和 100V 硅解決方案的損耗（柵極驅動(dòng)和重疊損耗）相較于以前的解決方案有大幅增長(cháng)。諸如 LMG3100 等 GaN 解決方案有助于盡可能減小電感-電感-電容器級（LLC 級）次級側同步整流器中的上述損耗。 • 中間總線(xiàn)轉換器 (IBC)。此系統將 PSU 輸出的中間電壓 (48V) 轉換為較低的電壓，然后傳送至服務(wù)器。隨著(zhù) 48V 電壓電平的流行，IBC 有助于減少服務(wù)器子系統中的 I2R 損耗，并使匯流條和電力傳輸線(xiàn)的尺寸和成本都得到降低。IBC 的缺點(diǎn)是其在電源轉換中又增加了一步，可能會(huì )對效率產(chǎn)生影響。因此，除了 OEM 經(jīng)測試可獲得高效率和高功率密度最佳組合的幾種新拓撲外，請務(wù)必充分利用 LMG2100 和 LMG3100 等高效 GaN 器件。 • 電池備份單元。降壓/升壓級通常將電池電壓 (48V) 轉換為總線(xiàn)電壓 (48V)。當市電線(xiàn)路斷電且電力流為雙向時(shí)，您也可以使用電池備份單元進(jìn)行電池電源轉換。不間斷電源之所以使用此級，是因為它僅通過(guò)電池直接執行一次直流/直流轉換，避免了由直流/交流/直流轉換引起的損耗。
圖 3 服務(wù)器電源框圖 應用領(lǐng)域 3：電信電源 在電信無(wú)線(xiàn)電設備中，電源有可能采用 GaN 設計。由于無(wú)線(xiàn)電設備通常安置在戶(hù)外，僅依賴(lài)自然冷卻，因此高效率顯得尤為重要。此外，隨著(zhù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )（如 5G、6G）的逐步發(fā)展，加快網(wǎng)絡(luò )速度和數據處理的需求也在增加，因此需要具有極低損耗的高密度設計。LMG2100 有助于將此類(lèi)設計的功率密度提高 40% 以上。 在典型的中壓應用中，GaN 將負電池電壓電平（通常為 -48V）的電源，利用反向降壓/升壓或正向轉換器拓撲轉換為適用于功率放大器的 +48V 電源，或者利用降壓轉換器拓撲為現場(chǎng)可編程門(mén)陣列和其他直流負載供電。 應用領(lǐng)域 4：電機驅動(dòng) 沒(méi)錯，您可以在電機驅動(dòng)電路中使用 GaN，其應用領(lǐng)域廣泛，包括機器人、電動(dòng)工具驅動(dòng)以及兩輪牽引逆變器設計等負載曲線(xiàn)不同的應用。GaN 的零反向恢復特性（因為不存在體二極管）導致二極管反向偏置電流沒(méi)有穩定時(shí)間，從而降低了死區損失，提高了效率。如前所述，GaN 的開(kāi)關(guān)頻率更高，電流紋波更低，這樣就可以減小無(wú)源器件的尺寸，從而實(shí)現更平滑的電機驅動(dòng)設計。 圖 4 展示了如何在電機驅動(dòng)單元中添加 GaN。
圖 4 電機驅動(dòng)單元框圖 結語(yǔ) 在各種中壓應用中，GaN 有潛力取代傳統的硅 FET。100V 至 200V GaN 的其他應用領(lǐng)域包括通用直流/直流轉換、D 類(lèi)音頻放大器，以及電池測試和化成設備。此外，GaN 還能提供更高的開(kāi)關(guān)頻率和更低的功率損耗，這些優(yōu)勢在簡(jiǎn)化電源設計的集成電源級中尤為突出。 |
