劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)[1]在2016年所做的一项研讨标明，2020年美国数据中心即将耗费的动力预计会到达730亿千瓦时——这是一个天文数字。只需咱们对核算密集型数据服务的需求不断添加，那么，在更小的空间内供给更多能量以尽可能高效地运转这些中心，就会是必然趋势。
而这种动力运用状况仅代表数据中心。其实，电信、工业自动化、轿车和许多其他体系也相同需求供给高密度的电源体系。
进步电力传输功率的一种办法是运用包含氮化镓（GaN）在内的新的动力半导体技能。与传统的硅解决计划比较，GaN在开关功用方面具有本质上优胜的器材特点，当它布置在开关电源中时，可高效供电，将功率进步到史无前例的高度。然后协助终究用户从根本上节省动力、下降操作本钱并削减排放到大气中的碳排放量。
GaN也面临着应战。曩昔，这些应战与制作和供给高质量、牢靠GaN的才能相关。可是，跟着整个职业制作工艺的改善和选用率的添加，应战逐步会集到施行和体系规划上。要完成更高的功率，不只需求用GaN替换硅，因为现在的技能现已能够支撑体系等级的改动，此举大大进步了功率。技能赋予规划工程师进步压摆率、开关频率并把功耗降至更低的才能。这些新的规划应战为终究产品的立异及构成独具匠心的特征供给了具有重要意义的时机。
图1.比较GaN vs. Si 的设备损耗
GaN技能和解决计划的电源优势
GaN 供给更高效和功用杰出的电源，其间的原因是多方面的。快速爬高时刻、低导通电阻、低栅电容和输出电容，无不下降了开关损耗，并支撑以多种频率作业，速度一般比当今硅基解决计划快一个数量级。如图1 所示。更低的损耗等同于更高效的电源散布，这削减了发热并精简了有用冷却计划。
别的，高频作业对解决计划本钱有积极影响，这是因为变压器和电感器等必要磁元件的体积、分量和所需资料都有所削减。改善的FOM 完成了较低的RDS(ON)和较低的开关损耗。高功率和/或更高的开关频率从GaN 内涵优势获益较多的使用是开关形式电源。 AC/DC 电源的方针是要把AC 线路电源转化为较低电压，为手机或个人核算机等低压电气设备供电或充电，而这一般经过几个功率级完成。榜首级是一般电源，包含供电AC 线路电源，它经过功率因数校对(PFC)级发生DC 总线高压，一般为380 V。在第二级，该电压经由高压DC/DC 转化器被转化为低压（一般是48V 或12 V）。这两级被称为交直流转化级。它们一般被布置在一起并供给维护设备和人员的阻隔办法。第二级转化器输出的12 V 或48 V 电压，被分配给坐落不同负载点(POL)的终究运用电路，例如设备柜内的不同电路板。第三级转化器存在一或多个直流转化器，可发生电子组件所需的低压。
图2.在电源的一切级中，GaN 解决计划能缩小规划，进步功率。
图2中的示例显现了1kW根据GaN的AC/DC，及GaN怎么改善了PFC级、高压DC/DC转化器和POL级的功率密度。本示例最重要的一点不只仅是运用了GaN，更重要的是它是怎么运用的。现在咱们依然运用PFC、DC/DC和POL，可是它们的施行或运用的电源拓扑有所不同，经过优化的电源拓扑可更大程度发挥GaN的功用。
PFC 级（图3）运用高功率图腾柱拓扑，然后完成绝无仅有的高功率密度、高功率和低功耗组合，而相似的根据硅的规划却无法做到这一点。与运用硅的传统二极管桥式升压PFC 比较，此级的功率超越99％，功耗下降10W 以上。
高压DC/DC 级选用了高效的谐振逻辑链路操控(LLC)转化器（图 4）。尽管在LLC 转化器中运用硅是很遍及的，可是GaN的长处在于把功率密度进步了50%，将开关频率进步了一个数量级。1-MHz 根据GaN 的LLC 要求变压器尺度比100-kHz根据硅的LLC 规划所选用的变压器要小六分之一。
POL 级运用GaN 的高效开关特点，使48 V 高效硬开关转化器直接到达1 V。大多数硅解决计划需求中心第四级将48 V 转化为12 V，但GaN 可完成真实的单级转化，直接转化为1 V。经过这种方法，根据GaN 的规划可将元件数量削减一半，并将功率密度进步三倍（图5）。
图3.GaN PFC 拓扑。
满意一系列使用要求
GaN 的优势不只限于AC/DC 电源。如图6 所示的多种其他使用，也可从GaN 供给的更高功率和功率密度获益。以下提及的终究设备或某些更令人兴奋的范畴都敏捷进步了对GaN 的运用率。
图4.GaN LLC 拓扑。
LiDAR
对宽度日益趋窄的要求，敏捷使得GaN FET 和驱动器成为LiDAR 的必备元件，尽管LiDAR 也用于机器人、无人机、安防、地图测绘和其他各种范畴，但许多人更常将其与自动驾驶车辆的传感联系起来。下一代LiDAR 的要求包含更大规划和更高分辨率以便进步仪器的才能，使其能够感应更远的间隔和更高效地辨认目标。GaN 的低输入和高电容，以更短脉冲完成了更高的峰值输出光功率，这在进步成像分辨率的一起维护了眼睛的安全。
图5.两个POL 级到单级。
高保真音响
高功用音响的功放要求近乎抱负化的开关波形来削减失真，这是因为任何无用频率的谐波都会导致人耳可听频带。GaN 化解了这个问题，它能在高得多的压摆率下高效开关，而且开关行为可猜测性较高，极大削减了谐波失真，完成了更抱负的音响功用，将噪音约束在更高的不可听的频带内。
图6.实践和潜在的GaN 使用范畴。
经过GaN 规划最佳解决计划
因为高频电源体系规划带来了新的应战，即便老到的电源规划师也要经受考验，但如果有现成的解决计划就能够明显缩短规划周期。TI 供给完好的电源级产品，可协助规划师把问题大大简化。咱们现有的解决计划能够满意电源供给链中不同的电压水平缓需求，这些解决计划在细巧的低电感封装内集成了内置维护功用。别的，TI 的GaN FET 驱动器和能够与该驱动器无缝配对的高频模仿与数字操控器，一起有力支撑了运用根底元件构建电源体系的规划师。
图8 所示LMG3410 是单通道电源级，它在同一个模块中组合了一个70 mΩ、600 V GaN FETs 和一个经过优化的驱动器，经过独立的组件把影响高速规划的寄生效应降至更低。内置功用供给温度、电流和欠压确定(UVLO)毛病维护，确保了安全牢靠的操作。
关于需求小尺度高效作业的使用规划人员，图9 所示的LMG5200 是彻底集成化的半桥电源级，它供给的80-V、10-A解决计划包含半桥栅极驱动器及高侧和低侧GaN FET。LMG5200 直接与模仿操控器（如TI 的TPS53632G，用于DC/DC转化使用）和数字操控器（如TI 的C2000TMTM 实时微操控器，用于音响和电机操控使用）对接。
在简化规划的过程中，简直与产品自身平等重要的是一整套开发工具。评价模块(EVM)有助规划师了解解决计划的运作状况和拟定重要决议计划。参阅规划则供给牢靠的现成电路，可用于雷达、轿车、不间断电源(UPS)、电机操控、电流丈量和其他范畴的使用中。咱们对一切范畴的深度支撑能够协助客户规划出尽可能高效的GaN 电源体系。
图7.GaN 逆变器。100kHz 3 级规划。
今日的GaN 立足于未来
GaN 技能现已在减缩体系规划和进步电源功率方面扮演着重要人物。该技能完成的节省对一切使用都有重要影响，尤其是据中心、基站和其他高密度体系。别的，GaN 的高频运转有助进行准确的电机操控和为LiDAR 及音响使用供给更高分辨率。跟着立异拓扑和新办法的创造与使用，其他类型的使用也将快速跟进。
因此电源体系规划师不用再等候GaN 革新的迸发。GaN 解决计划就在今日，TI 在极力并持续推进这项技能的立异，咱们在不断开发更先进的技能。集成化解决计划节省了开发时刻而且能够随时运用，一起咱们针对广泛使用的参阅规划也在稳步添加。当下对电源功率的需求越来越急迫，TI 技能和解决计划持续坚持抢先的立异，协助国际变得更智能、更环保。
图8.LMG3410：600V/70 mΩ 12A GaN 电源级。
相关资源：
● TI 的LMG3410 和LMG5200 GaN 解决计划
● TPS53632G 产品文件夹
● TMS320C2000 C2000TM 实时 MCUs
● 白皮书：GaN 和SiC 支撑完成更高功率的电源
图9.LMG5200：80 V/10 A GaN 半桥电源级
参阅文献：
1. Shehabi, A., Smith, S.J., Horner, N., Azevedo, I., Brown, R., Koomey, J., Masanet, E., Sartor, D., Herrlin, M., Lintner,W. 2016. United States Data Center Energy Usage Report. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley,California.LBNL-1005775
