【編者按】麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開發(fā)表的關于GaN功率器件原理、應用及優(yōu)勢的理解，為讀者奉獻一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢實現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化。

使用eGaN FET和IC實現(xiàn)尺寸最小、效率最高的48V向5-12V DC-DC轉換

在本系列的第一篇文章中，討論了低壓硅基氮化鎵（GaN-on-Silicon）功率器件如何實現(xiàn)許多新應用，如激光雷達（LiDAR）、包絡跟蹤和無線充電。這些新應用有助于為GaN器件提供強大的供應鏈、低生產(chǎn)成本和令人驚嘆的可靠性記錄。與GaN器件相關的基礎工作，大大激勵了保守的設計工程師，他們開始在主流應用中評估GaN器件，例如直流-直流（DC-DC）轉換器、交流-直流（AC-DC）轉換器。在本篇文章中，首先將對48V DC-DC轉換器進行研究。

隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心總線電壓從12V向48V過渡，對提高48V電源轉換效率和功率密度的要求越來越高。在此背景下，基于增強模式氮化鎵場效應晶體管（eGaN FET）和集成電路（IC）設計的DC-DC轉換器提供了一種高效率、高功率密度的解決方案。此外，歸功于GaN晶體管在減小尺寸、減少重量和物料清單（BOM）成本等方面帶來的優(yōu)勢，48V功率系統(tǒng)在輕度混合動力汽車、混合動力汽車和插電式混合動力電動汽車得到應用。

汽車電力電子系統(tǒng)為什么選擇48V？

隨著自動駕駛汽車的出現(xiàn)，以電力推進為動力的汽車技術進入了復興期。據(jù)Yole的《自動駕駛汽車傳感器-2018版》，2032年全球自動駕駛汽車的產(chǎn)量將達到2310萬臺。2035年，將有3200萬輛汽車實現(xiàn)電力推進。兩大趨勢都將轉化為對功率半導體需求的大幅增長。

在最新款汽車中，耗電型電氣驅(qū)動功能開始出現(xiàn)，對48V總線電源配電的需求變得更加明顯。這些功能包括自動啟停車、電動轉向、電動懸架、電動渦輪增壓和變速空調(diào)?，F(xiàn)在，隨著自動駕駛汽車的出現(xiàn)，諸如激光雷達、雷達、攝像頭和強大的圖形處理器等系統(tǒng)對配電系統(tǒng)提出了額外的要求。圖形處理器非常耗電，給傳統(tǒng)的12V汽車配電總線額外增加了負荷。

上述應用的電力負荷日益增加，需要提供與高性能游戲系統(tǒng)、高性能服務器、人工智能系統(tǒng)甚至加密貨幣挖掘機（配電總線為48V）等應用類似的高功率解決方案。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心為什么選擇48V？

除了上文所提到的汽車應用需求之外，新興的先進計算應用也需要功率更高、外形尺寸更小的功率器件。服務器市場的需求不斷增加，一些最具挑戰(zhàn)性的應用如多用戶游戲系統(tǒng)、人工智能（AI）和加密貨幣挖掘機的需求也在逐漸增加。使用eGaN FET和IC為高性能計算應用構建48V DC-DC轉換器，減小了尺寸，提高了效率，并降低了系統(tǒng)總成本。

基于GaN的功率模塊EPC9205，配置為同步Buck變換器，當輸入電壓為48V，輸出電壓為12V，負載為10A，功率密度達1400W/in3。此設計可提供5V~12V的輸出電壓，每相輸出電流為14A。

如圖1所示，EPC2045額定電壓為100V，導通電阻為7MΩ，能夠持續(xù)負載16A的電流。此外，EPC2045的體積僅僅是硅基MOSFET的五分之一，寄生電容較低，開關速度比同類硅基功率器件快得多，即使在較高的開關頻率下開關損耗也達到最低水平。

圖1：EPC推出的100V eGaN功率晶體管

（逆向分析報告：《EPC增強型GaN-on-Silicon功率晶體管EPC2045》）

DrGaNPLUS功率模塊EPC9205：功率密度達1400W/in3

EPC9205（圖2）功率模塊的結構示意圖如圖3所示，使用兩顆EPC2045配置在同步Buck拓撲電路。如圖2所示，EPC9205功率模塊還搭載了uPI半導體公司的半橋柵極驅(qū)動器uP1966A，輸入和輸出濾波器，以及電流和溫度傳感器。eGaN FET的高頻性能大大降低了對濾波的要求，從而降低輸出濾波電感的尺寸和損耗。

圖2：EPC9205開發(fā)板將功率密度提高到1400W/in3

圖3：DrGaNPLUS功率模塊EPC9205電路結構示意圖

EPC9205性能驗證

當頻率為700kHz時，當電壓從48V降低至12V，EPC9205在負載電流為10A時峰值效率達到96%，在氣流速度為400 LFM時FET的最高溫度為100℃。圖4顯示了負載電流為15A，輸出電壓為12V時的功率效率曲線。同樣，EPC9205也能產(chǎn)生低至5V的輸出電壓。圖5顯示了在500kHz下工作時，輸出電壓為5~12V的效率曲線。

圖4：EPC9205的輸出電流與效率關系圖：工作在700kHz，輸入電壓為48V，輸出電壓為12V

圖5：EPC9205的輸出電流與效率關系圖：工作在500kHz，輸入電壓為48V，輸出電壓為12V

為了方便比對，圖6將硅基MOSFET與EPC9205進行了比較。硅基MOSFET設計采用了較低的開關頻率300kHz，并選擇了威世（Vishay）IHLP-5050FD-01系列中容量最大的電感（5.6μH）。與硅基MOSFET的電氣性能比較如圖6所示。

圖6：硅基MOSFET與EPC9205的電氣性能比較：輸入電壓為48V，輸出電壓為12V

GaN技術：效率更高，尺寸更小，成本更低

從48V轉換到5~12V的總線轉換器設計，從硅基MOSFET演進到eGaN FET，改進了尺寸和成本，性能不僅不會退化，還能有所提升?；趀GaN的48V-12V Buck轉換器的材料清單（BOM）產(chǎn)生的每瓦特成本小于0.05美元。同樣的BOM可以用于輸出電壓低至5V的器件。

表1：基于eGaN FET的48V-12V Buck轉換器物料清單

適用于EPC9205的控制器包括德州儀器（TI）的TPS53632G。當EPC9205被配置在多相電源系統(tǒng)中以獲得更大的輸出電流時，可以使用Mircochip公司的微控制器和數(shù)字信號控制器dsPIC33EP128GS704。

結論

基于eGaN FET實現(xiàn)48V、負載為1A的Buck轉換器，已被證明可以產(chǎn)生5~12V的輸出電壓，峰值效率為96%，功率密度為1400W/in3。當輸出電壓為12V時，每瓦的平均成本可以低于0.05美元。eGaN FET無疑已成為更快、更高效、更低成本的半導體解決方案，可用于快速增長的高性能、高功率密度的48V應用，尤其適用于是數(shù)據(jù)中心配電和汽車應用。