氮化镓的功率密度承载着无限的设计潜力

你将学习:

GaN如何帮助提高数据中心的效率。
什么是LLC谐振变换器?
无变压器ups采用交-直-交变换器。

氮化镓(GaN)场效应管具有与传统硅场效应管相比固有的优越性能。这种性能上的优势使设计工程师能够推动功率设计的信封，并达到功率密度和效率的新水平。应用范围从交流-直流电源到多千瓦，三相转换器。

数据中心GaN的功率密度

GaN技术为数据中心服务器提供节能电源。GaN功率晶体管降低了数据中心功率设计的重量、尺寸和成本，同时也降低了能源消耗。GaN的高速开关技术使超薄电源供应、电机驱动集成机器人等市场趋势成为可能，并使下一代数据中心的功率密度提高了200%以上。

高性能服务器和电信应用需要高效率、高功率密度的隔离dc-dc转换器。因此，LLC谐振变换器看起来是这个用例的最佳选择。这种变换器结构具有从零到满负荷的零电压开关(ZVS)能力，加上初级侧开关的低关断电流。在开关频率低于谐振频率的情况下，同步整流(SR)器件采用零电流开关(ZCS)关闭。

将驱动器和保护电路与GaN fet集成将为空间有限的数据中心板提供卓越的功率密度。

数据中心电源模块中的GaN

在当今基于48v的数据中心输入电源架构中，LLC谐振变换器为电源模块提供了良好的电源架构。需要减少数据中心板的占用面积，特别是对于电源。在这种情况下，功率密度是关键，这也是氮化镓功率器件的切入点，因为它们提供了比硅更大的功率密度。

使用GaN功率器件的48v到12v dc-dc变换器具有更高的频率、更高的效率和优异的功率密度。服务器行业看到了48v配电的好处，主要有:

更容易分配和交付更高的功率。
为CPU供电的一种改进方案是使用非隔离/调节转换器将数据中心处理器从48v转换为1v或更小。达到最高效率的最佳方法是两阶段设计，48v到12v，然后12v到1v或更低(或5v到1v或更低)，这为中央处理单元(CPU)供电。

为什么LLC谐振变换器在这个设计中达到最佳的功率密度?

准谐振浮动降压变换器是一种理想的拓扑结构(图1)．它通过谐振方式对场效应晶体管进行谷化开关，从而降低开关损耗¹没有任何附加组件。

这种设计有一个变压器，在一次侧有一个全桥或半桥。同步整流发生在二次侧。它是一个相对简单的结构，具有非常高的功率密度。该拓扑具有多相操作更高的输出电流。使用最佳的变压器和高效的场效应晶体管，可实现98%的效率，甚至高达1千瓦。

改变变压器比，使其很容易适应更高的输出电压。这种LLC解决方案在48v到12v或48v到5v的600w以上电压下，在尺寸和效率上都是最佳的，使其适合于功率模块(小于1/8砖)。这种LLC设计架构中的GaN fet能够实现更小、更高效的变换器架构，具有更低的损耗和1 mhz的开关频率，从而导致更小的磁性。功率密度超过1500 W/in。^3.不需要散热器。

GaN fet也非常适合软开关LLC谐振变换器。

GaN-Powered领导的司机

led正在给照明行业带来革命。它们效率高，比白炽灯或荧光灯使用时间长得多，而且可调光。led需要直流电源，但由于传统照明使用交流电源，整流器需要将交流电源转换为直流电源。用于LED照明的电源转换器通常需要在一个小的形状因素，很多时候必须在外壳中处理相对较高的温度。

在高开关频率的开关模式电源中输入GaN功率晶体管，这将导致更小的磁性。软切换是这种设计的一个好处。一种设计思想是使用600v, 1-Ω GaN场效应晶体管作为功率晶体管。由于氮化镓能够在非常高的兆赫频率下切换，无源滤波器元件尺寸将会小得多，显著提高功率密度。

该设计可以是一个20 w的功率变换器，与现有的商业产品相比，其尺寸减小了1.87倍的功率级，效率为91.2%，输入电流总谐波失真(THD)为15.9%，功率因数为0.976。²

基于gan的无变压器UPS交流-直流-交流变换器

这个GaN AC-DC-AC转换器电源设计不需要变压器，可用于不间断电源(UPS)。该设计在输入和输出交流端口之间有一个公共中性点。

中显示的每个拓扑中图2在美国，额定峰值交流功率的变压器的存在限制了它们的效率(通常小于90%)，并对功率密度产生负面影响。这三个例子在正常到备用模式的转换时间(也称为转换时间)以及在输入电压下的电压干扰抑制能力方面都表现出明显的特征。

UPS离线时(图2)，将会有一个高转换时间。在正常运行时，它对输入电压扰动提供的保护最小，这是由于逆变器只在备份模式下运行。这种体系结构最适合家庭使用，在这种情况下，输入电压只会出现短暂的干扰，而不会影响负载。在这种情况下，电网电压通常是高质量和正常可用的。

在大型工业地区，电网可能会出现比较频繁和高功率的情况，质量是很重要的。行交互的UPS(图2 b)将比离线UPS更好。

最后，在不间断输入电压对安全及临界负载运行至关重要的地区，在线UPS是最适合的(图2摄氏度)．这种UPS架构的最佳拓扑选择是建议的在线UPS，在输入和输出之间有一个共同的中性点(图3)．它有一个前端功率因数校正(PFC)整流阶段，随后是一个电压模式反转阶段，一个单一的能量缓冲电容器(CBUS)连接在中间直流总线上。

在线UPS设计将提供高达1kva的功率，PFC范围从−0.5到+0.5。它可以在120伏电压下工作_rms50hz / 60hz线频，交流输出电压120v_rms在60赫兹。

现在，在功率密度和效率之间有一个合理的权衡，一个设计选项被选择使用两个并联的氮化镓晶体管。图4本设计采用较少数量的并联晶体管，提供更好的功率密度。这是因为被晶体管和相关的栅驱动电路占据的板面积减少，将导致低效率，因为设计是传导损耗为主。

因此，为了在功率密度和效率之间达到一个合理的平衡，设计方案选择了两个并联的氮化镓晶体管。设计、制作并测试了一个基于氮化镓、无电解、1kva的在线UPS原型。原型UPS实现了95.2%的峰值效率，并在整个输出功率范围内保持了超过92.3%的高效率。无需电解的在线UPS原型实现了26.4 W/in的功率密度^3.．