GaN 与 Si 在 48 V 下的对比……前线最新消息

氮化镓 (GaN)器件以最小的尺寸提供最佳性能、提高效率并降低 48 V 电源转换应用的系统成本。在这些应用中，eGaN ® FET 和 IC 的应用迅速增长，已被纳入高密度计算以及许多新的汽车电源系统设计中。在具有 48 V 输入的所有拓扑中，最高效率、最小尺寸和最低成本来自使用 GaN 器件。

作为 GaN 器件在 48 V 应用中的卓越性能的证据，本文将概述 EPC eGaN 器件，展示其优势，并检查两种 48 V 应用——高性能服务器和轻度混合动力汽车。最后，除了 GaN FET 技术之外，还将讨论集成 ePower™ Stage 的出现，即单芯片驱动器和 eGaN FET 半桥电源。

EPC概览

Efficient Power Conversion (EPC) 是中压（低于 400 V）氮化镓技术领域公认的领导者。自 2010 年投产以来，EPC eGaN 器件和集成电路已被许多应用采用，包括计算、汽车、工业、电信、医疗和航空航天。该产品组合有 60 多种分立晶体管和 IC 可供现货供应，包括大量符合 AEC-Q101 标准的组件。

图 1(a) 是 GaN 器件与硅 MOSFET 的比较，表明 eGan 晶体管在 100V 时将关键品质因数（Area x R DS(on)提高了五倍）。这种改进导致尺寸更小、成本更低或相同尺寸下的 R DS(on)更低。此外，在图 1(b) 中，第二个重要的品质因数 R DS(on) x Q g表明 GaN 在 100 V 下的开关速度也比硅好五倍，从而降低了损耗。最后，GaN的零反向恢复 (Q RR ) 和更低的开关损耗允许频率增加，从而导致更高的功率密度。

图 1：(a) 关键品质因数，面积 x R DS(on)和 (b) 品质因数，R DS(on) x Qg

GaN 器件中的热管理

尽管 GaN 器件非常小，但由于我们的 eGaN 管芯具有出色的热性能，因此热管理问题较少。图 2 是外壳热阻(R ΘJC ) 与 MOSFET 可用的绝对最佳热封装 - DirectFET ® 的比较。虽然 eGaN FET 在 100 V 时小五倍，但它们的热阻却是同类最佳 DirectFET 的六倍。这是因为芯片级 eGaN 管芯不受周围封装的限制，可以直接通过 PCB、管芯顶部和管芯侧壁横向散热。eGaN FET 较低的热阻导致令人难以置信的热性能——适当散热，微小的 4 mm 2 仅 25 °C 或每瓦 4 °C 的温升，芯片就可以消耗 6 W 的功率。

图 2：与适用于 MOSFET 的绝对最佳热封装（直接 FET）与外壳的热阻比较

服务器总线分布架构

传统服务器架构（如图 3 所示）使用基于机架的 48 V 隔离稳压 DC-DC 转换器，先转换为 12 V，然后将 12 V 负载点转换为 CPU 或 GPU。

图 3：传统服务器架构

由于功率不断增加，许多服务器设计，尤其是新型超大规模服务器和最新一代基于 GPU 的 AI 服务器采用的设计，正在服务器板上从 12 V 输入迁移到 48 V 输入。

图 4 显示了一个快速出现的服务器拓扑，其中服务器主板的输入为 48 V。这个四倍高的输入电压简化了高功率的分配并提高了效率。从传统 12-V 服务器机架到 48-V 机架的演变将能源损失减少了 30% 以上。

图 4：新兴的 48 V 输入服务器主板拓扑

48 V 机架内配电拓扑的其他关键系统级优势是铜线利用率和配电损耗；对于给定的功率水平和总线横截面，与 12 V 设计相比，48 V 系统将配电总线损耗降低了 94%。换句话说，在相同的总线损耗情况下，48 V 配电总线可以提供四倍于 12 V 系统的功率。 

五伏中间总线架构

将电源从 48 V 转换为 POL（负载点）的最有效方法是两级转换，中间电压为 12 V 或 5 V。此外，通过使用 5 V 中间总线，还有一些额外的好处通过 12 V 总线。

通过将中间总线电压从 12V 降低到 5V，可以实现从用于 POL 转换器的功率 MOSFET 到更高密度的 BCDMOS 功率级的技术变革。这些 BCDMOS 功率级可以达到更高的频率，从而使负载点更小，并允许将 POL 放置得更靠近 GPU 或 CPU。

这种距离的减少可以将 POL 和 GPU/CPU 之间的电阻降低多达 350 µΩ。而且，在 1000 A 时，损耗减少了 350 W！

48 V 至 5 V 中间总线有多种拓扑解决方案。然而，LLC 拓扑提供了最佳的系统效率和非常高的功率密度。当今市场上有非常小的 486 mm 2 300 W 模块，其功率密度达到了 1700 W/in 3的非常高，还有一个 600 W、936 mm 2模块可供评估。所有这三个高功率密度模块都由支持 1 MHz 操作的 eGaN 器件实现。

LLC 也是更高功率的最佳拓扑。图5示出了在1/8的1种千瓦LLC溶液个砖尺寸。尽管尺寸紧凑，但它的预计满载效率为 98%。

图5：98％的效率，1千瓦在小于1/8个砖

最新的服务器应用要求 48 V 服务器的输入功率大于 2 kW，而 AI 板则需要高达 1 kW 的输入功率。使用 1 kW 模块允许电源系统设计工程师减少模块数量以优化整体系统尺寸和成本。

数据中心48V电源解决方案

总的来说，有三种常见的转换器拓扑可用于将服务器中的 48 V 转换为 12 V 或低至 5 V——降压转换器、LLC 和开关电容器。表 1 显示了每个的相对应用范围。

表 1：数据中心应用中 48 V 电源的电源转换解决方案

开关电容在 48 V – 12 V 电压低于 600 W 时价格低廉且非常高效，但这种拓扑结构对更高功率有限制，而且对于 48 V – 5 V 来说太复杂了。

降压是 48 V 至 12 V 至 300 W 的最便宜和最小的解决方案。降压和 LLC 都比开关电容器具有更高的功率密度。然而，LLC设计允许大于600瓦两个48伏至12伏和48伏至5伏而且最佳的效率，这是V中的最佳拓扑中/ V出的比8：1或10：1的.

为什么 GaN FET 是 LLC 转换器设计的最佳选择

表 2 将 100 V eGaN FET 与两个同类最佳的 Si MOSFET 对应物进行了比较。这种比较使 eGaN FET 处于轻微劣势，因为 80 V MOSFET 正在与 100 V eGaN FET 进行比较。另请注意，与具有类似导通电阻的硅器件相比，GaN FET 具有低得多的栅极电荷、无反向恢复、更低的输出电荷，并且明显更小。

表 2：EPC 100 V 与一流的 80 V MOSFET

轻度混合动力汽车——48 V DC-DC 转换器的新兴应用

到 2025 年，全球销售的每 10 辆汽车中就有 1 辆是 48 V 轻度混合动力车。轻度混合动力车中的 48 V 系统有助于提高燃油效率，在不增加发动机尺寸的情况下提供四倍的功率，并有助于在不增加系统成本的情况下减少二氧化碳排放。这些系统将需要一个 48 V – 12 V 双向转换器，功率范围为 1 kW 至 3.5 kW。这些系统的设计重点是尺寸和成本。

对于 48 V 汽车总线系统，GaN 技术可提高效率、缩小尺寸并降低系统成本。由于其快速开关速度，在 3 kW 48 V – 12 V 降压转换器中，基于 GaN 的解决方案可以在每相 250 kHz 的峰值效率下运行，而传统 MOSFET 解决方案的峰值效率为每相 125 kHz。更高的频率允许更小的电感值（2.2 μH 对 4.7 μH）和更小的电感 DCR（0.7 mΩ 对 1.7 mΩ），这导致基于 GaN 的解决方案的损耗更小，尺寸更小。

eGaN 器件提高的效率还可以减少所需的相数。例如，在 3 kW 转换器中，更高的频率和更高的效率导致从五相 MOSFET 系统减少到四相 GaN 系统，从而降低系统尺寸和成本。以 250 kHz 运行的四相基于 GaN 的解决方案比以 125 kHz 运行的五相 MOSFET 系统小 35%，成本降低 20%。

EPC GaN FET 解决方案少了一个相位，开关频率增加了一倍，也比五相 MOSFET 解决方案更高效。图 6 显示，与 MOSFET 解决方案相比，eGaN FET 解决方案在满负载时的功率损耗降低了 15%，在 10% 负载时的损耗降低了 30%。这在满载时减少了 21 W 的功率损耗。

图 6：五相 MOSFET 与四相 eGaN FET 解决方案的 48 V – 12 V、3 kW DC-DC 功率转换比较

此外，与 MOSFET 解决方案所需的五相相比，GaN 能够仅用四相完成相同的工作，因此降低了系统成本。表 3 给出了成本比较。

表 3：用于 48 V – 12 V、3 kW DC-DC 电源转换器的五相 MOSFET 解决方案和四相 eGaN FET 解决方案的系统成本比较

实现系统级改进的 GaN 性能特征

例如，表 4 将 80 V AEC 合格的 FET 与基准 MOSFET 进行了比较。在该表中，eGaN FET 的卓越性能特征显而易见——R DS(on)降低 30% ，Q g降低 4 倍，Q gd降低 5 倍，Q rr为零，并且尺寸不到其一半但又降低了 10 倍将热量从设备传递到散热器的热效率更高。与当今汽车中使用的老化硅功率 MOSFET 相比，eGaN 技术可提供更高的性能、惊人的可靠性和更低的成本。

表 4：用于 48 V – 12 V、3 kW DC-DC 电源转换器的五相 MOSFET 解决方案和四相 eGaN FET 解决方案的系统成本比较

集成的 ePower TM平台

由于 GaN 是横向器件，因此很容易集成分立器件以外的解决方案。超小尺寸的完全集成功率级是 EPC 产品系列的最新成员。

所述EPC2152 EPOWER ™阶段，如图7所示，是一个单芯片驱动器加的eGaN FET半桥功率级，从而简化设计，布局，组件，节省PCB上的空间，并提高工作效率。对于电源设计人员来说，这个设备就是简单的“逻辑输入，电源输出”。

图 7：EPC2152 ePower™ Stage 单芯片驱动器和 eGaN FET 半桥功率级

该器件非常小，只有 10 mm 2，最大输入电压为 80 V，最大电流为 12.5 A，频率为 1 MHz。

这种 GaN IC 的集成度提高了效率。图 8 显示了集成 eGaN 功率级与具有一个驱动器和两个在 1 MHz 和 2.5 MHz 下运行的 eGaN FET 的分立解决方案之间的效率增益。绿色曲线是综合解决方案；蓝色曲线是离散解。

图 8：L= 2.2 μH 和气流 = 800 LFM 的单片与分立式 48 V – 12 V 降压转换器拓扑

对于 1 MHz 时的 48 V 至 12 V，该集成解决方案可提供超过 96% 的峰值效率，并在 12.5 A 时提供高达 2% 的效率改进。这种改进可以用三个因素来解释：(1) 驱动器与 FET 的匹配，(2) 无寄生栅极回路、共源极和电源回路电感以及 (3) 两个 FET 的热平衡。

在 2.5 MHz 时的改进甚至更大，与分立解决方案相比，集成解决方案可以提供至少三个额外的安培。

在高开关频率下，具有超低开关损耗的 eGaN 技术广泛优于 Si MOSFET 解决方案，对于 48 V 至 12 V 转换系统，在 1 MHz 下的效率通常限于 91%。

GaN 与 Si 在 48 V 下的对比……前线最新消息

在 EPC 上回顾了 GaN 技术的十年增长，检查了 GaN 在高功率密度服务器和轻度混合动力汽车中的卓越性能，并介绍了集成 GaN ePower™ Stage 的出现，这是来自电源前线的更新转换系统设计活动可概括如下：

对于 30 V – 60 V 的输入范围……与 eGaN 器件相比，Si没有性能优势

量产 100 V – 200 V eGaN FET……价格与具有相似电压和 R DS(on) 的MOSFET 相当

新的服务器和汽车……这些应用中的电源架构将由 GaN FET 和 IC 主导

审核编辑 黄昊宇