解決這個問題的一個方案是重新構建數據中心係統
，從原來背板上麵分布式12V電源變到現在48V電源。就在最近
，2016年3月份
，美國的穀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分布式電力係統方麵的知識和經驗。這在解決問題的同時又產生了一個新的挑戰：對於通信和數據卡的電力設計師們，他們如何能在48V供電直直變換器中實現更高的效率，更小的體積，同時提高電源的功率等級呢
？

 

在當今的架構中，通過采用12V的背板，工業界能夠使用具有非常好的品質因數特性的40V MOSFET 來滿足高開關頻率，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計師們使用100V MOSFET，因為它們具有更高的品質因數，因此本質上導致了效率的降低。然而
，100V增強型氮化镓晶體管可以滿足直直變換器設計師對於傳輸更高效率
，更高頻率方案的要求和挑戰。如表1所示，品質因數值對比。

 

 

從表1中可以看到，相對比於40V MOSFET

，100V MOSFET 的品質因數值增加了2.3倍，門極驅動功耗增加了2.4倍。然而，100V氮化镓增強型功率晶體管卻顯示出格外好的開關性能，其品質因數值甚至比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中達到高效率和高開關頻率的要求。

 

基於氮化镓晶體管48V→12V直直變換器設計

 

為了對比氮化镓技術和矽技術的實際性能
，本文采用氮化镓晶體管設計了一個48V轉12V直直變換器。在測試過程中，選擇了加拿大氮化镓係統公司(GaN Systems)的晶體管GS61008P。該器件卓越的電氣特性可幫助實現高開關頻率和高效率。其嵌入式封裝技術，GaNPX?，使得封裝上麵具有很低的電感，並實現整體很低的環路電感，進而減少噪聲，損耗，提高了效率。

 

 

在熱性能方麵
，該變換器不需要散熱片。GS61008P具體非常低的熱阻抗0.55°C/W，實現了低溫運行。據氮化镓係統公司推薦
，兩個晶體管下麵都設置了一些過孔，從而幫助把熱量傳導到地線層。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溫分別是43°C和42°C。

 

GS61008P氮化镓增強型晶體管門極最佳工作電壓VGS為0V (關) 到 6V (開)。zaimenjiqudongfangmian，danhuajiaxitonggongsijishudeyigetedianshimenjiqudonghenjiandanbingqiejuyoukuancaozuofanwei。congqijianshujubiaokeyikandao，menjigongzuodianyatuijianzhifanweishi0-6V，但是最高可以工作在7V DC，可以容許尖鋒電壓到10V。zhezhongjiandandemenjiqudongfangshikeyiyunxushiyongduozhongmenjiqudongqilaiqudongqijian，zaiduiqijianbuchanshengpohuaidetiaojianxia，duiyumenjidianyashangdewenbohezaoshengyouyidingdenaishouxing。

 

采用氮化镓晶體管的48V直zhi直zhi變bian換huan器qi最zui重zhong要yao的de設she計ji考kao慮lv因yin素su之zhi一yi是shi當dang一yi個ge晶jing體ti管guan關guan斷duan另ling一yi個ge晶jing體ti管guan開kai通tong時shi要yao減jian少shao死si區qu時shi間jian。這zhe是shi因yin為wei在zai氮dan化hua镓jia增zeng強qiang型xing晶jing體ti管guan中zhong沒mei有you內nei在zai的de寄ji生sheng體ti二er極ji管guan
，也ye不bu需xu要yao體ti二er極ji管guan。當dang氮dan化hua镓jia晶jing體ti管guan被bei迫po進jin行xing反fan向xiang導dao通tong時shi，反fan向xiang電dian壓ya可ke以yi達da到dao-2V或(huo)者(zhe)更(geng)高(gao)。因(yin)此(ci)，死(si)區(qu)時(shi)間(jian)內(nei)的(de)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)會(hui)比(bi)較(jiao)大(da)。電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)可(ke)能(neng)考(kao)慮(lv)給(gei)氮(dan)化(hua)镓(jia)晶(jing)體(ti)管(guan)並(bing)聯(lian)一(yi)個(ge)二(er)極(ji)管(guan)，但(dan)是(shi)並(bing)不(bu)需(xu)要(yao)這(zhe)樣(yang)做(zuo)，並(bing)聯(lian)二(er)極(ji)管(guan)可(ke)能(neng)會(hui)降(jiang)低(di)效(xiao)率(lv)，且(qie)由(you)於(yu)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)電(dian)荷(he)Qrr而增加噪聲。氮化镓增強型晶體管因為沒有體二極管

，具有更高的反向電壓，但是氮化镓晶體管因為沒有反向恢複電荷Qrr可以節省功耗，對於通信係統來說
，降低噪聲和EMI可能更加重要。圖3所示為死區時間，Td，約20ns。

 

 

為了研究門極驅動電壓和死區時間對於效率產生的影響
，對圖2所示的電路進行了仿真，因此可以改變不同的參數。輸出功率設置為240W (12V, 20A)
，門極驅動電壓和死區時間為變量。從表2中結果可以看到GS66108P最理想的操作條件(最高效率)是當門極電壓為6.0V，死區時間為15ns或者更小的時候。當把門極電壓從6V降到5V時，電路額外消耗0.26W功耗，導致效率降低了0.1%。從另一方麵死區時間來看

，死區時間影響更大
，使功耗增加了0.78W，效率降低了0.3%。這些數字可能看起來很小，但是當爭取更高的整機效率
，采用這種卓越的氮化镓技術工作，理解如何優化操作時就顯得格外重要。

 

在這個設計當中，采用了德州儀器的LM5113氮化镓驅動器，雖然它隻支持門極電壓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，關斷方向使用更低的關斷門極電阻。因為氮化镓晶體管的門限電壓大約是1.5V，使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)的(de)門(men)極(ji)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)完(wan)美(mei)控(kong)製(zhi)開(kai)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)波(bo)形(xing)，並(bing)且(qie)使(shi)用(yong)更(geng)小(xiao)的(de)關(guan)斷(duan)電(dian)阻(zu)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)控(kong)製(zhi)米(mi)勒(le)效(xiao)應(ying)，確(que)保(bao)電(dian)路(lu)下(xia)方(fang)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)在(zai)關(guan)斷(duan)過(guo)渡(du)期(qi)不(bu)會(hui)錯(cuo)誤(wu)地(di)開(kai)通(tong)。這(zhe)個(ge)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)特(te)點(dian)是(shi)具(ju)有(you)相(xiang)對(dui)短(duan)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，大(da)約(yue)25-45ns，很好地匹配了從下方晶體管開通到上方晶體管關斷的死區時間8ns。

 

很快
，具有更高驅動電壓(6.0V)和更小延遲時間(15ns)的產品將會發布。UPI半導體公司在不久將來將會發布這一產品uP1964。它使得驅動電壓優化為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
，氮化镓晶體管從氮化镓係統公司(GaN Systems)湧現到市場

，很多公司認識到采用氮化镓以達到更高效率的需求，已經設計了更優化的驅動器應用在這些晶體管當中。

 

實驗結果

 

本文設計並測試了圖2中的參考電路，在不同的工作點下測量了效率。圖4描述了采用這一設計的測試結果，同時對比了另一相似參考設計電路中使用100V矽材料MOSFET在300kHz工作條件下的效率。

 

圖4清晰表明
，在300kHz時

，氮化镓的效率比評價很高的100V矽材料MOSFET還要高出很多。這是因為氮化镓晶體管更好的品質因數，沒有反向恢複電荷Qrr損耗

，以及非常低的門極驅動損耗。在48V係統中使用100V器件
，采用氮化镓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。然後頻率被調節為1MHz，2uH Coilcraft電感，大約體積比之前縮小5倍。這些表明設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。最後，測試了2MHz，依然取得很高效率，穩定的設計。

 

結論

 

48V數據中心和通信係統將要求直直變換器設計者們學習如何使用100V晶體管使效率最大化。當在100V甚至40V下對比氮化镓增強型晶體管和矽材料MOSFET時，氮化镓增強型晶體管具有更好的品質因數
，門極驅動特性，使得設計者們取得高頻率，高功率密度設計，以及非常高的效率等級。

 

 

 

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