氮化鎵 (GaN) 帶來電源管理變革的 3 大原因

氮化鎵正取代硅，越來越多地用于需要更大功率密度和更高能效的應(yīng)用中

作為提供不間斷連接的關(guān)鍵，許多數(shù)據(jù)中心依賴于日益流行的半導(dǎo)體技術(shù)來提高能效和功率密度。

氮化鎵技術(shù)，通常稱為 GaN，是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，越來越多地用于高電壓應(yīng)用。這些應(yīng)用需要具有更大功率密度、更高能效、更高開關(guān)頻率、更出色熱管理和更小尺寸的電源。除了數(shù)據(jù)中心，這些應(yīng)用還包括 HVAC 系統(tǒng)、通信電源、光伏逆變器和筆記本電腦充電電源。

了解 GaN 如何突破功率密度和效率界限。

德州儀器 GaN 產(chǎn)品線負(fù)責(zé)人 David Snook 表示：“氮化鎵是提高功率密度和提高多種應(yīng)用中電源系統(tǒng)和電源效率的關(guān)鍵一步。在設(shè)計(jì)中使用 GaN 的公司數(shù)量正在迅速增長。降低功耗和提高效率至關(guān)重要?！?/p>

在過去 60 多年里，硅一直是半導(dǎo)體電源管理元件的基礎(chǔ)，這些元件將交流 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流 (DC)，然后根據(jù)各種應(yīng)用需求將直流電壓輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從手機(jī)到工業(yè)機(jī)器人，不一而足。隨著元件的改進(jìn)和優(yōu)化，硅的物理特性已得到充分應(yīng)用。如今，在不增加尺寸的前提下，硅已無法在所需的頻率下提供更高功率。

因此，在過去十年間，許多電路設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向采用 GaN，以便在更小的空間里實(shí)現(xiàn)更高功率。許多設(shè)計(jì)人員對(duì)于該技術(shù)將在未來創(chuàng)新中發(fā)揮的潛能充滿信心，主要?dú)w因于以下三點(diǎn)：

原因 1：GaN 已取得發(fā)展。

做為半導(dǎo)體應(yīng)用，盡管 GaN 相對(duì)于硅來說較新，但已經(jīng)發(fā)展了多年并具有一定可靠性。德州儀器 GaN 芯片通過了 4,000 萬小時(shí)以上的可靠性測(cè)試。即使在數(shù)據(jù)中心等要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中，其有效性也顯而易見。

David 表示：“隨著消費(fèi)者和企業(yè)對(duì)人工智能、云計(jì)算和工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用的數(shù)據(jù)量的需求不斷增長，全球范圍內(nèi)需要越來越多的數(shù)據(jù)中心。要使數(shù)據(jù)中心在不會(huì)過量增加能耗的前提下上線，需要實(shí)現(xiàn)更高效的服務(wù)器電源，而 GaN 是實(shí)現(xiàn)這類電源的關(guān)鍵技術(shù)。”

原因 2：使用 GaN 的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)可節(jié)省成本。

盡管現(xiàn)在按芯片級(jí)別比較，GaN 比硅昂貴，但 GaN 所帶來的整個(gè)系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)、效率和功率密度的提高超過了初始投資的價(jià)值。例如，在 100 兆瓦數(shù)據(jù)中心中，使用基于 GaN 的電源管理系統(tǒng)，即使效率增益僅為 0.8%，也能在 10 年間節(jié)約 700 萬美元的能源成本。節(jié)約的能源足夠 80,000 個(gè)家庭，也就是大約一個(gè)小型城市，使用一年。

德州儀器電源設(shè)計(jì)服務(wù)團(tuán)隊(duì)總經(jīng)理 Robert Taylor 表示：“GaN 技術(shù)可在較高頻率下運(yùn)行，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)一些具有更低物料清單成本的拓?fù)浜图軜?gòu)。得益于較高的運(yùn)行頻率，工程師還可以在設(shè)計(jì)中選擇較小型的其他元件。GaN 提供了硅芯片所不支持的拓?fù)?，使得工程師可以靈活優(yōu)化其電源設(shè)計(jì)?！?/p>

原因 3：通過集成提升了性能和易用性。

GaN FET 需要專用的柵極驅(qū)動(dòng)器，這意味著需要額外的設(shè)計(jì)時(shí)間和工作量。不過，德州儀器通過在芯片中集成柵極驅(qū)動(dòng)器和一些保護(hù)功能，簡(jiǎn)化了 GaN 設(shè)計(jì)。

David 表示：“集成驅(qū)動(dòng)器有助于提高性能并提供更高的功率密度和更高的開關(guān)頻率，從而提升效率并降低整體系統(tǒng)尺寸。集成提供巨大的性能優(yōu)勢(shì)并使用 GaN 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可使設(shè)計(jì)人員更大程度地利用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。”

性能優(yōu)勢(shì)

David 說：“客戶會(huì)很高興看到我們的參考設(shè)計(jì)，比如適用于數(shù)據(jù)中心的 5 千瓦圖騰柱功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)所展示的 GaN 的性能優(yōu)勢(shì)。他們一旦認(rèn)識(shí)到可以以更小的解決方案尺寸實(shí)現(xiàn)更高的效率，或者以同樣的外形尺寸實(shí)現(xiàn)更高的功率水平，這會(huì)促使他們轉(zhuǎn)向使用 GaN?！?/p>

例如，一些模塊化家用空調(diào)設(shè)備制造公司采用 GaN 進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電源效率提高了 5%。

Robert 表示：“從空調(diào)耗能的角度來看，這個(gè)數(shù)字意義重大，提高 5% 的效率可以節(jié)省一大筆資金。能用 GaN 器件實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)真是太棒了?！?/p>