GaN：解決能源危機的一把鑰匙

勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)[1]在2016年所做的一項研究表明，2020年美國數據中心將要消耗的能源預計會達到730億千瓦時——這是一個天文數字。只要我們對計算密集型數據服務的需求不斷增加，那麼，在更小的空間內提供更多能量以儘可能高效地運行這些中心，就會是必然趨勢。

而這種能源使用情況僅代表數據中心。其實，電信、工業自動化、汽車和許多其他系統也同樣需要提供高密度的電源系統。

提高電力傳輸效率的一種方法是利用包括氮化鎵（GaN）在內的新的能源半導體技術。與傳統的矽解決方案相比，GaN在開關性能方面具有本質上優越的器件屬性，當它部署在開關電源中時，可高效供電，將效率提高到前所未有的高度。進而幫助最終用戶從根本上節約能源、降低操作成本並減少排放到大氣中的碳排放量。

GaN也面臨著挑戰。過去，這些挑戰與製造和提供高質量、可靠GaN的能力相關。然而，隨著整個行業製造工藝的改進和採用率的增加，挑戰逐漸集中到實施和系統設計上。要實現更高的效率，不僅需要用GaN替換矽，因為目前的技術已經能夠支持系統級別的改變，此舉大大提升了效率。技術賦予設計工程師提高壓擺率、開關頻率並把功耗降至更低的能力。

圖1.比較GaN vs. Si的設備損耗

另外，高頻工作對解決方案成本有積極影響，這是因為變壓器和電感器等必要磁元件的體積、重量和所需材料都有所減少。

從GaN內在優勢獲益較多的應用是開關模式電源。

1-kW GaN解決方案：從AC到POL的功率密度翻了三倍

圖2.在電源的所有級中，GaN解決方案能縮小規模，提高效率。

圖3.GaN PFC拓撲。

PFC級（圖3）使用高效率圖騰柱拓撲，從而實現獨一無二的高功率密度、高效率和低功耗組合，而類似的基於矽的設計卻無法做到這一點。與使用矽的傳統二極體橋式升壓PFC相比，此級的效率超過99％，功耗降低10W以上。

高壓DC/DC級採用了高效的諧振邏輯鏈路控制(LLC)轉換器（圖 4）。雖然在LLC轉換器中使用矽是很普遍的，但是GaN的優點在於把功率密度提高了50%，將開關頻率提升了一個數量級。1-MHz基於GaN的LLC要求變壓器尺寸比100-kHz基於矽的LLC設計所採用的變壓器要小六分之一。

圖4.GaN LLC拓撲。

圖6.實際和潛在的GaN應用領域。

電機和電機控制

在機器人領域和其他工業應用的電機中，尺寸和電源效率十分關鍵，但其他因素同樣也會發揮作用。

使用GaN解決方案，提高脈寬調製(PWM)頻率並降低開關損耗，這有助於驅動極低電感的永久磁性和無刷直流電機。這些特性還使轉矩波動更小化，從而在伺服驅動器和步進器中實現精確定位，支持高速電機在無人機等應用中實現高電壓。

圖7.GaN逆變器。100kHz 3級設計。

高保真音響

高性能音響的功放要求近乎理想化的開關波形來減少失真，這是因為任何無用頻率的諧波都會導致人耳可聽頻帶。GaN化解了這個問題，它能在高得多的壓擺率下高效開關，並且開關行為可預測性較高，極大減少了諧波失真，實現了更理想的音響性能，將噪音限制在更高的不可聽的頻帶內。

通過GaN設計最佳解決方案

由於高頻電源系統設計帶來了新的挑戰，即使老練的電源設計師也要經受考驗，但如果有現成的解決方案就可以顯著縮短設計周期。TI供應完整的電源級產品，可幫助設計師把問題大大簡化。我們現有的解決方案能夠滿足電源供應鏈中不同的電壓水平和需求，這些解決方案在小巧的低電感封裝內集成了內置保護功能。另外，TI的GaN FET驅動器和可以與該驅動器無縫配對的高頻模擬與數字控制器，共同有力支持了利用基礎元件構建電源系統的設計師。

圖8.LMG3410：600V/70 mΩ 12A GaN電源級。

今天的GaN立足於未來

GaN技術已經在縮減系統規模和提高電源效率方面扮演著重要角色。該技術實現的節省對所有應用都有重要影響，尤其是數據中心、基站和其他高密度系統。另外，GaN的高頻運行有助進行精確的電機控制和為LiDAR及音響應用提供更高解析度。隨著創新拓撲和新方法的發明與應用，其他類型的應用也將快速跟進。

因而電源系統設計師不必再等待GaN革命的爆發。GaN解決方案就在今天，TI在竭力並持續推動這項技術的創新，我們在不斷開發更先進的技術。集成化解決方案節約了開發時間並且可以隨時利用，同時我們針對廣泛應用的參考設計也在穩步增加。當下對電源效率的需求越來越緊迫，TI技術和解決方案繼續保持領先的創新，幫助世界變得更智能、更環保。

這些新的設計挑戰為最終產品的創新及形成別具一格的特色提供了具有重要意義的機會。

德州儀器(TI)是推動GaN開發和支持系統設計師採用這項新技術的領軍企業。TI基於GaN的電源解決方案和參考設計，致力於幫助系統設計師節省空間、取得更高電源效率及簡化設計流程。TI新穎的解決方案不僅可以優化性能，而且攻克了具有挑戰性的實施問題，使客戶得以設計高能效系統，建設更綠色環保的世界。

GaN技術和解決方案的電源優勢

GaN提供更高效和性能卓越的電源，其中的原因是多方面的。快速爬升時間、低導通電阻、低柵電容和輸出電容，無不降低了開關損耗，並支持以多種頻率工作，速度通常比當今矽基解決方案快一個數量級。如圖1所示。更低的損耗等同於更高效的電源分布，這減少了發熱並精簡了實用冷卻方案。

AC/DC電源的目標是要把AC線路電源轉化為較低電壓，為手機或個人計算機等低壓電氣設備供電或充電，而這通常通過幾個功率級實現。第一級是普通電源，包括供電AC線路電源，它通過功率因數校正(PFC)級產生DC總線高壓，通常為380 V。在第二級，該電壓經由高壓DC/DC轉換器被轉換為低壓（一般是48 V 或12 V）。這兩級被稱為交直流轉換級。它們一般被部署在一起並提供保護設備和人員的隔離措施。第二級轉換器輸出的12 V或48 V電壓，被分配給位於不同負載點(POL)的最終使用電路，例如設備櫃內的不同電路板。第三級轉換器存在一或多個直流轉換器，可產生電子組件所需的低壓。

圖2中的示例顯示了1kW基於GaN的AC/DC，及GaN如何改進了PFC級、高壓DC/DC轉換器和POL級的功率密度。本示例最重要的一點不僅僅是使用了GaN，更重要的是它是如何使用的。目前我們仍然使用PFC、DC/DC和POL，但是它們的實施或使用的電源拓撲有所不同，經過優化的電源拓撲可更大程度發揮GaN的性能。

POL級利用GaN的高效開關屬性，使48 V高效硬開關轉換器直接達到1 V。大多數矽解決方案需要中間第四級將48 V轉換為12 V，但GaN可實現真正的單級轉換，直接轉換為1 V。通過這種方式，基於GaN的設計可將元件數量減少一半，並將功率密度提高三倍（圖5）。

圖5.兩個POL級到單級。

滿足一系列應用要求

GaN的優勢不僅限於AC/DC電源。

如圖6所示的多種其他應用，也可從GaN提供的更高效率和功率密度獲益。以下提及的最終設備或某些更令人興奮的領域都迅速提高了對GaN的利用率。

LiDAR

對寬度日益趨窄的要求，迅速使得GaN FET和驅動器成為LiDAR的必備元件，雖然LiDAR也用於機器人、無人機、安防、地圖測繪和其他各種領域，但許多人更常將其與自動駕駛車輛的傳感聯繫起來。下一代LiDAR的要求包括更大範圍和更高解析度以便提升儀器的能力，使其能夠感應更遠的距離和更高效地識別對象。GaN的低輸入和高電容，以更短脈衝實現了更高的峰值輸出光功率，這在提高成像解析度的同時保護了眼睛的安全。

圖8所示LMG3410是單通道電源級，它在同一個模塊中組合了一個70 mΩ、600 V GaN FETs和一個經過優化的驅動器，通過獨立的組件把影響高速設計的寄生效應降至更低。內置功能提供溫度、電流和欠壓鎖定(UVLO)故障保護，保證了安全可靠的操作。

對於需要小尺寸高效工作的應用設計人員，圖9所示的LMG5200是完全集成化的半橋電源級，它提供的80-V、10-A解決方案包括半橋柵極驅動器及高側和低側GaN FET。LMG5200直接與模擬控制器（如TI的TPS53632G，用於DC/DC轉換應用）和數字控制器（如TI的C2000TMTM實時微控制器，用於音響和電機控制應用）對接。

圖9.LMG5200：80 V/10 A GaN半橋電源級。

在簡化設計的過程中，幾乎與產品本身同等重要的是一整套開發工具。評估模塊(EVM)有助設計師了解解決方案的運作情況和制定重要決策。參考設計則提供可靠的現成電路，可用於雷達、汽車、不間斷電源(UPS)、電機控制、電流測量和其他領域的應用中。我們對所有領域的深度支持能夠幫助客戶設計出儘可能高效的GaN電源系統。