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氮化镓如何使更轻小的5G解决方案成为可能

2021年09月15日 11:28 次阅读

作者:英飞凌科技高级首席应用工程师Giuseppe Bernacchia,英飞凌科技应用工程总监Moshe Domb

随着 5G 的推出,下一代蜂窝网络有望提供三种非常重要的功能,进而改变我们应用无线技术的方式。它们包括大规模连接能力、巨大数据吞吐量和超低延迟,使许多应用场景最终可以不再使用有线网络。在企业和消费者等待

5G技术普及并从中受益的同时,网络运营商必须仔细评估如何安装所需的硬件。

今天的5G设备通常使用租用的站点和物业,对所占建筑面积、设备体积和允许重量有严格的限制。此外,与 4G 相比,5G 使用了一些额外设备,例如有源天线系统 (AAS) 和微型基站收发器 (BTS),以实现大规模连接所需的覆盖范围(见图 1)。这些站点的电力使用也可能受到限制,从而限制了可以安装的设备。由于租赁成本约占运营费用 (OPEX) 支出的三分之一, 5G 系统需要比之前的 4G 系统具有更高的性能,同时重量相同或更轻,体积更小。

图 1:大规模连接需要小型基站 BTS 和有源天线系统,所有这些都具有苛刻的功率要求。

从硅到氮化镓的电源方案

氮化镓 (GaN) 宽带隙晶体管已经为 5G 的无线电设计做出了巨大贡献,但它们也越来越多地被考虑用于供电系统。与硅 MOSFET 相比,氮化镓卓越的性能可转化为更高的效率,从而可减少散热,实现更小、更紧凑的设计,并提高系统鲁棒性。由此带来的更少的电力消耗,以及更少的现场服务和维修需求,电信设备运营商可以因此而受益。

氮化镓具有与温度相对无关的 RDS(ON) ,并且几乎没有反向恢复电荷 (Qrr),这意味着 GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 适用于功率因数校正 (PFC) 和 DC-DC 转换器。由于可支持更高的开关频率,还可以使用更小的无源元件,从而能实现比基于硅的方案更紧凑,且重量更轻的设计。同时可以考虑采用自然空气对流散热,而无需采用主动散热方式。

基于硅 MOSFET (例如 80V OpTIMOS™ 5 系列)的电源转换器是 1kW 48V 至 12V DC-DC ¼ 砖电源设计的主要部分,系统可提供 97.58% 的峰值效率。通过将此设计转换为采用 CoolGaN™,的相同1kW LLC 解决方案能够减少 5% 的热量,并达到 97.70% 的峰值效率(见图 2)。在轻负载下,采用 GaN可以实现效率提升。导通损耗是满负载时损耗的主要来源,因此转向 GaN 对满负载电流消耗时的效率影响很小。

图 2:使用硅 MOSFET 和 CoolGaN™ 时,1kW固定频率 48V 至 12V ¼ 砖 DC-DC LLC 的效率比较。

如果在3.6kW、385V 至 52V DC-DC LLC 中用 中压CoolGaN™ 替换副边硅 MOSFET,即使 PFC 已经基于 GaN,也可实现显著的改进。通过将两个同步整流器改换为 GaN,散热量减少了约 15%。尽管两种器件都表现出相似的 RDS(ON) 值,但在这种功率密度为 160 W/inch3 的设计中,电源的峰值效率达到了 97.83%(图 3)。除去管理电源和冷却风扇的影响,峰值效率几乎达到 98.5%。

图 3:采用CoolGaN 的 3.6kW DC-DC LLC 与硅 MOSFET 的效率比较。

栅极驱动器和封装

从硅MOSFET改换到CoolGaN™并不是简单的器件更换。 CoolGaN™ 需要不同的栅极驱动电路,可以使用 RC 耦合电路来实现。然而,这可能会受到不同栅极占空比的影响,并且在某些情况下会缺乏负驱动。英飞凌科技的 EiceDRIVER™ 系列门极驱动器可专用于配合 GaN HEMT,能够提供维持“导通”状态所需的连续栅极电流,以及与占空比无关的“关断”电压。

电源外壳和散热等方面的创新可以以减轻设备重量并提供多种安装方法,例如可以安装在街道照明灯中,达到更美观的效果。 CoolGaN™ 能够支持这些,主要归功于其低电感、薄型 PG-VSON 表面贴装封装(见图 4)。由于尺寸仅为 5 × 3 × 1.075mm,不仅能够使窄型、薄型和机架安装设计中采用被动散热方法,还有助于保持较短的PCB布线和较低的寄生电感。

图 4:PG-VSON 表面贴装封装具有低电感泄漏,非常适合高频开关 CoolGaN 应用。

[来源:https://www.infineon.com/cms/en/product/packages/PG-VSON/PG-VSON-6-3/]

GaN在 5G中的应用更为广泛

考虑到GaN在高频应用下具备出众的性能,这种技术已经用于 5G 射频收发器。但是,由于场地租用成本和物理空间限制给设备体积和重量带来的压力,GaN也将用于基站电源等设计。英飞凌的 CoolGaN™ HEMT 晶体管产品能够与 EiceDRIVER™ 匹配使用,可确保满足5G 设备的设计要求,同时提高效率和可靠性。

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