在 48V 通信 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中使用 GaN 晶體管

隨著世界對(duì)數(shù)據(jù)的需求增長(zhǎng)看似失控，一個(gè)真正的問(wèn)題出現(xiàn)在必須處理這種流量的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。充滿通信處理和存儲(chǔ)處理的數(shù)據(jù)中心和基站已經(jīng)將其電力基礎(chǔ)設(shè)施、冷卻和能源存儲(chǔ)擴(kuò)展到了極限。然而，隨著數(shù)據(jù)流量的持續(xù)增長(zhǎng)，安裝了更高密度的通信和數(shù)據(jù)處理板，從而消耗更多功率。2012 年，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的通信耗電量占 ICT 行業(yè)總耗電量的 35%。到 2017 年，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心將使用 50% 的電力，并將繼續(xù)增長(zhǎng)。

該問(wèn)題的一種解決方案是重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，從沿背板分配 12V 電源到在背板上分配 48V 電源。就在最近，2016 年 3 月，谷歌在美國(guó)宣布將加入開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目，并貢獻(xiàn)其使用 48V 分布式電源系統(tǒng)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)(自 2012 年以來(lái))。雖然這有助于解決一個(gè)問(wèn)題，但也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題：通信和數(shù)據(jù)處理卡的電源設(shè)計(jì)人員如何提高由 48V 提供的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率、尺寸和功率水平?

在當(dāng)今的架構(gòu)中，使用 12V 背板，業(yè)界能夠使用具有非常好的品質(zhì)因數(shù) (FOM) 特性的 40V MOSFET，從而能夠在高頻下進(jìn)行開(kāi)關(guān)，提供高效率和高功率密度。使用 48V 背板迫使 DC-DC 設(shè)計(jì)人員使用 100V MOSFET，它具有明顯更高的 FOM 值，因此本質(zhì)上效率較低。然而，100V 增強(qiáng)模式 GaN 器件能夠通過(guò)提供非常高效率的高頻解決方案來(lái)應(yīng)對(duì) DC-DC 設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)。

GaN 48V→12V DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

為了比較 GaN 技術(shù)與硅技術(shù)的實(shí)際性能，使用 GaN 晶體管創(chuàng)建了 48V 至 12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器。本次測(cè)試使用了來(lái)自加拿大 GaN Systems 的 GS61008P。該器件卓越的電氣特性可實(shí)現(xiàn)高頻率和高效率。被稱為 GaN PX的嵌入式封裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非常低的封裝電感和非常低的整體電感環(huán)路，從而降低噪聲、損耗并提高效率。

在熱方面，該轉(zhuǎn)換器不使用散熱器。GS61008P 具有 0.55 °C/W 的極低熱阻抗，可在低溫下運(yùn)行。正如 GaN Systems 所推薦的那樣，兩個(gè)器件下方都使用了通孔，以幫助將熱量傳導(dǎo)到接地層。在 10 安培的工作電流、25°C 和 500 線性英尺每分鐘 (LFM) 氣流下，頂部和底部器件結(jié)溫分別為 43°C 和 42°C。

GS61008P GaN E-HEMT 晶體管在柵極電壓為 0V (OFF) 至 6V (ON) 時(shí)運(yùn)行最佳。GaN Systems 技術(shù)在柵極驅(qū)動(dòng)方面的一個(gè)具體特點(diǎn)是簡(jiǎn)單且容差大的柵極驅(qū)動(dòng)電平。從數(shù)據(jù)表中可以看出，推薦柵極電壓在 0-6V 范圍內(nèi)工作，但設(shè)計(jì)用于最大 7V DC 電壓，并且可以承受高達(dá) 10V 的柵極尖峰電壓。這種非常簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)使該器件更易于與許多柵極驅(qū)動(dòng)器一起使用，并允許在柵極電壓存在一定的容差、紋波和噪聲，而不會(huì)威脅到損壞器件。

對(duì)于使用 GaN 晶體管的 48V DC-DC 轉(zhuǎn)換器而言，最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮之一是最小化一個(gè)晶體管關(guān)閉與另一個(gè)晶體管開(kāi)啟之間的死區(qū)時(shí)間。這是因?yàn)樵?GaN E-HEMT 晶體管中沒(méi)有本征的寄生二極管，也不需要一個(gè)。當(dāng)GaN晶體管被迫反向?qū)娏鲿r(shí)，反向電壓可高達(dá)-2V或更高。因此，這段時(shí)間的傳導(dǎo)損耗可能很高。人們可能會(huì)考慮使用與 GaN 晶體管并聯(lián)的二極管，但這不是必需的，并且由于 Qrr 效應(yīng)可能會(huì)降低效率并增加噪聲。由于沒(méi)有二極管，GaN E-HEMT 具有更高的反向電壓。但是由于 GaN 沒(méi)有 Qrr(反向恢復(fù)電荷)，它可以節(jié)省電力，而且可能更重要的是在通信系統(tǒng)中，顯著降低噪聲和 EMI。

為了研究柵極電壓和死區(qū)時(shí)間對(duì)效率的影響，對(duì)電路進(jìn)行了仿真，以便改變參數(shù)。輸出功率設(shè)置為 240W(12V，20A)，柵極驅(qū)動(dòng)和死區(qū)時(shí)間不同。表 2表明 GS66108P 的理想(最高效率)工作是在柵極驅(qū)動(dòng)電壓為 6.0V 且死區(qū)時(shí)間為 15ns 或更短時(shí)。通過(guò)將柵極驅(qū)動(dòng)從 6V 調(diào)低至 5V，電路的功耗增加了 0.26W，導(dǎo)致效率略有下降 0.1%。另一方面，對(duì)死區(qū)時(shí)間的影響更為顯著，功率損耗增加 0.78W 或效率降低 0.3%。這些數(shù)字可能看起來(lái)很小，但在追求最高的整體效率時(shí)，使用這種卓越的 GaN 技術(shù)并了解如何優(yōu)化其操作非常重要。

對(duì)于此設(shè)計(jì)，使用了 Texas Instruments 的 LM5113 GaN 驅(qū)動(dòng)器，盡管它僅支持 5.0V 的柵極電壓。LM5113 的一個(gè)特點(diǎn)是獨(dú)立的輸出引腳 HOH 和 HOL，允許在 ON 方向使用更高的柵極電阻，在 OFF 方向使用更低的柵極電阻。由于這些 GaN 晶體管的閾值電壓約為 1.5V，因此具有兩個(gè)不同的電阻器有助于完美地控制開(kāi)啟和關(guān)閉波形。此外，使用較低的關(guān)斷電阻器有助于管理米勒效應(yīng)，確保在關(guān)斷過(guò)渡期間較低的晶體管不會(huì)被錯(cuò)誤地打開(kāi)。該驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)特點(diǎn)是延遲時(shí)間相對(duì)較短，約為 25-45ns，與從 LOW 側(cè)打開(kāi)到 HIGH 側(cè)關(guān)閉的 8ns 延遲時(shí)間非常匹配。

很快，將發(fā)布具有更高柵極驅(qū)動(dòng) (6.0V) 和更低延遲時(shí)間 (15nS) 的產(chǎn)品。UPI Semiconductor 即將發(fā)布的此類產(chǎn)品是 uP1964。它將允許柵極驅(qū)動(dòng)優(yōu)化至 6V，具有 13.5nS 的延遲時(shí)間和 5ns 的上升時(shí)間，因此在未來(lái)將提供更高的效率。GaN 晶體管于 2014 年從 GaN Systems 進(jìn)入市場(chǎng)，許多公司認(rèn)識(shí)到需要使用 GaN 來(lái)提高效率，因此設(shè)計(jì)了與這些晶體管一起使用的優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

專家描繪了運(yùn)行此參考設(shè)計(jì)時(shí)的測(cè)試結(jié)果，并將 300 kHz 的效率與使用 100V 硅 MOSFET 的類似參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。清楚地表明，在 300 kHz 時(shí)，GaN 的效率大大高于額定值非常高的 100V 硅 MOSFET。這是由于更好的 FOM 數(shù)據(jù)、沒(méi)有 Qrr 損耗以及顯著降低的柵極驅(qū)動(dòng)損耗。對(duì)于使用 100V 器件的 48V 系統(tǒng)，應(yīng)使用 GaN 晶體管以實(shí)現(xiàn)最高效率。

效率測(cè)試從 300 kHz 開(kāi)始，使用 10uH Coilcraft 電感器，部件號(hào)為 SER2918H-103。然后將頻率調(diào)整為 1MHz，并使用了一個(gè)大約小 5 倍的 2uH Coilcraft 電感器。這表明可以設(shè)計(jì)出更高密度的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但仍能達(dá)到非常高的效率值。最后，該單元在 2MHz 下進(jìn)行了測(cè)試，再次產(chǎn)生了非常高效、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)。

最后的分析

48V 數(shù)據(jù)中心和通信系統(tǒng)將要求 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)如何使用 100V 晶體管最大限度地提高效率。與 100V 甚至 40V 的硅 MOSFET 相比，GaN E-HEMT 晶體管顯著提高了 FOM 和柵極驅(qū)動(dòng)性能，使設(shè)計(jì)人員能夠以非常高的效率水平實(shí)現(xiàn)高頻、高功率密度設(shè)計(jì)。