为什么GaN FET是LLC转换器设计的最佳选择-电子发烧友网

氮化镓（GaN）器件以最小的尺寸提供了最佳的性能，提高了效率，并降低了48 V电源转换应用的系统成本。迅速增长的采纳的eGaN的®在大批量这些应用FET和集成电路已经在高密度计算，以及许多新的汽车动力系统设计中。在所有具有48 V输入电压的拓扑中，使用GaN器件可获得最高的效率，最小的尺寸和最低的成本。

为了证明GaN器件在48 V应用中具有卓越的性能，本文将概述EPC eGaN器件，展示其优势，并考察了两种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技术外，还将讨论集成ePower™平台的出现，该平台是单芯片驱动器加上eGaN FET半桥电源。

EPC概述

高效功率转换（EPC）是中压（小于400 V）氮化镓技术的公认领导者。自2010年起投入生产，EPC eGaN器件和集成电路已在许多应用中采用，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，其中包括AEC-Q101合格组件的广泛清单。

图1（a）是GaN器件与硅MOSFET的比较，表明eGan晶体管在100V电压下将关键品质因数（面积x RDS（on））提高了五倍。这种改进导致在相同尺寸下尺寸更小，成本更低或RDS（on）更低。此外，在图1（b）中，第二个重要指标RDS（on）x Qg表示GaN在100 V时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（QRR）和较小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）品质因数，面积x RDS（on）和（b）品质因数，RDS（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裸片具有出色的热性能，因此热管理也不再是问题。在图2中是热电阻的情况下，以比较（RΘJC针对可用于MOSFET的绝对最佳热封装） -采用DirectFET®。尽管eGaN FET在100 V电压下要小五倍，但其热阻却是同类最佳DirectFET的六倍。这是因为芯片级eGaN管芯不受周围封装的约束，并且可以直接通过PCB，管芯顶部以及从管芯侧壁横向散发热量。eGaN FET的较低热阻可提供令人难以置信的热性能-适当散热，只有4 mm2芯片仅在25°C或每瓦4°C的温度上升下就可以耗散6 W的功率。

图2：热阻与外壳的比较与可用于MOSFET的绝对最佳热封装（直接FET）的比较

服务器总线分配架构

如图3所示，传统的服务器架构使用基于机架的48 V隔离和稳压DC-DC转换器，这些转换器转换为12 V，然后将12 V的负载点转换为CPU或GPU。

图3：传统服务器架构

由于功率的增加，许多服务器设计，特别是新超大规模服务器和最新一代基于GPU的AI服务器采用的服务器设计，已从服务器板上的12 V输入迁移到48 V输入。

图4显示了一种快速兴起的服务器拓扑，其中服务器板的输入为48V。输入电压的四倍提高了高功率的分配，并提高了效率。从传统的12V服务器机架到48V机架的演进将能耗降低了30％以上。

图4：新兴的48 V输入服务器主板拓扑

对于48 V机架内分配拓扑，其他关键的系统级优势是铜的利用率和分配损耗；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，在相同的总线损耗下，48 V分配总线可以提供12 V系统功率的四倍。

五伏中间总线架构

将功率从48 V转换为POL（负载点）的最有效方法是两阶段转换，中间电压为12 V或5V。此外，通过连接5 V中间总线，还有一些其他好处通过12 V总线。

通过将中间总线电压从12 V降低到5 V，技术可能会发生变化，从用于POL转换器的功率MOSFET到更高密度的BCDMOS功率级。这些BCDMOS功率级可以达到更高的频率，从而使负载点更小，并使POL位置更接近GPU或CPU。

距离的减小可将POL与GPU / CPU之间的电阻降低350 µΩ。而且，在1000 A时，损耗降低了350 W！

48 V至5 V中间总线有多种拓扑解决方案。但是，LLC拓扑提供了最佳的系统效率和很高的功率密度。有非常小，486毫米2，300瓦的模块达到1700 W的/非常高的功率密度在3当今市场上，和一个600瓦，936毫米2可用于评估模块。所有这三个高功率密度模块都是通过支持1 MHz工作的eGaN器件实现的。

LLC还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

最新的服务器应用程序对于48 V服务器需要大于2 kW的输入功率，而对于AI板则需要高达1 kW的功率。使用1 kW的模块可以使电源系统设计工程师减少模块的数量，从而优化整体系统的尺寸和成本。

数据中心48V电源解决方案

总体而言，服务器中有三种常见的转换器拓扑用于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列出了每种产品的相对应用范围。

表1：数据中心应用中48 V电源的电源转换解决方案

开关电容价格便宜，在低于600 W的48 V – 12 V电压下非常高效，但是这种拓扑结构限制了更高的功率，并且对于48 V – 5 V来说太复杂了。

降压器是最便宜，最小的解决方案，适用于高达300 W的48 V至12 V电压。降压器和LLC的功率密度均高于开关电容器。但是，LLC设计允许48 V至12 V和48 V至5 V的最佳效率都高于600瓦。此外，对于Vin/ Vout比率为8：1或10：1的情况，它也是最佳的拓扑。

为什么GaN FET是LLC转换器设计的最佳选择

表2比较了100 V eGaN FET和两个同类最佳的MOSFET。这种比较使eGaN FET处于劣势，因为正在将80 V MOSFET与100 V eGaN FET进行比较。还应注意，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，低输出电荷，并且体积明显较小。

表2：EPC 100 V与同类最佳的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，预计全球售出的每10辆汽车之一将是48 V轻度混合动力车。在轻度混合动力汽车中使用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的排放。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。由于其快速的开关速度，在3 kW 48 V – 12 V降压转换器中，基于GaN的解决方案可以以每相250 kHz的峰值效率工作，而传统MOSFET解决方案则为每相125 kHz。较高的频率允许较小的电感器值（2.2μH对4.7μH）和较小的电感器DCR（0.7mΩ对1.7mΩ），这导致基于GaN的解决方案具有较小的损耗和较小的尺寸。

eGaN器件带来的更高效率还可以减少所需的相数。例如，在3 kW转换器中，较高的频率和较高的效率导致从五相MOSFET系统减少到四相GaN系统，从而减小了系统尺寸和成本。以250 kHz运行的基于GaN的四相解决方案比以125 kHz运行的五相MOSFET系统小35％，并且成本降低了20％。

与五相MOSFET解决方案相比，EPC GaN FET解决方案具有少一相且开关频率加倍的优点。图6显示，与MOSFET解决方案相比，eGaN FET解决方案在满载时的功耗降低了15％，在10％负载时的功耗降低了30％。这将使满载时的功率损耗降低21W。

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

此外，由于GaN仅用四个相就能完成相同工作的能力，而不是MOSFET解决方案所需的五个相，因此降低了系统成本。费用比较见表3。

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

GaN性能特性可实现系统级改善

例如，表4比较了80 V AEC认证的FET与基准MOSFET。在此表中，eGaN FET的卓越性能特征显而易见– RDS（on）降低30％，Qg降低4倍，Qgd降低5倍，Qrr降低一半，且尺寸不到其一半，但仅为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的硅功率MOSFET相比，eGaN技术可提供更高的性能，惊人的可靠性以及更低的成本。