采用氮化镓晶体管取得更高功率密度和效率的48V通信直直变换器
品慧电子讯随着全球对数据需求的不断增加，这看似失去控制，但已成为数据通信系统中人们不得不去处理的真正问题。数据中心和基站，充满了通信处理和存储处理，在电力基础设施，冷却和能量储存方面已经达到了系统的极限。然而随着数据流量持续增加，人们安装了更高功率密度的通信和数据处理电路板，吸取更多的电能。如图1所示，2012年，在信息和通信技术部门总用电量中，网络和数据中心的通信电源用电量高达35%。到2017年，网络和数据中心将使用50%的电量，并且随着时间的推移，这种情况会愈演愈烈。
解决这个问题的一个方案是重新构建数据中心系统，从原来背板上面分布式12V电源变到现在48V电源。就在最近，2016年3月份，美国的谷歌公司宣布将会加入开放计算项目，贡献该公司自2012年以来在使用48V分布式电力系统方面的知识和经验。这在解决问题的同时又产生了一个新的挑战：对于通信和数据卡的电力设计师们，他们如何能在48V供电直直变换器中实现更高的效率，更小的体积，同时提高电源的功率等级呢？
在当今的架构中，通过采用12V的背板，工业界能够使用具有非常好的品质因数特性的40V MOSFET 来满足高开关频率，传输高效率以及高功率密度。采用48V背板迫使直直变换器设计师们使用100V MOSFET，因为它们具有更高的品质因数，因此本质上导致了效率的降低。然而，100V增强型氮化镓晶体管可以满足直直变换器设计师对于传输更高效率，更高频率方案的要求和挑战。如表1所示，品质因数值对比。
从表1中可以看到，相对比于40V MOSFET，100V MOSFET 的品质因数值增加了2.3倍，门极驱动功耗增加了2.4倍。然而，100V氮化镓增强型功率晶体管却显示出格外好的开关性能，其品质因数值甚至比40V MOSFET还要小。这些可以使得48V高功率密度通信处理电源在直直变换器架构中达到高效率和高开关频率的要求。
基于氮化镓晶体管48V→12V直直变换器设计
为了对比氮化镓技术和硅技术的实际性能，本文采用氮化镓晶体管设计了一个48V转12V直直变换器。在测试过程中，选择了加拿大氮化镓系统公司(GaN Systems)的晶体管GS61008P。该器件卓越的电气特性可帮助实现高开关频率和高效率。其嵌入式封装技术，GaNPX?，使得封装上面具有很低的电感，并实现整体很低的环路电感，进而减少噪声，损耗，提高了效率。
在热性能方面，该变换器不需要散热片。GS61008P具体非常低的热阻抗0.55°C/W，实现了低温运行。据氮化镓系统公司推荐，两个晶体管下面都设置了一些过孔，从而帮助把热量传导到地线层。在运行电流10A，室温25°C，气流强度为500LFM条件下，上下两个晶体管的结温分别是43°C和42°C。
GS61008P氮化镓增强型晶体管门极最佳工作电压VGS为0V (关) 到 6V (开)。在门极驱动方面，氮化镓系统公司技术的一个特点是门极驱动很简单并且具有宽操作范围。从器件数据表可以看到，门极工作电压推荐值范围是0-6V，但是最高可以工作在7V DC，可以容许尖锋电压到10V。这种简单的门极驱动方式可以允许使用多种门极驱动器来驱动器件，在对器件不产生破坏的条件下，对于门极电压上的纹波和噪声有一定的耐受性。
采用氮化镓晶体管的48V直直变换器最重要的设计考虑因素之一是当一个晶体管关断另一个晶体管开通时要减少死区时间。这是因为在氮化镓增强型晶体管中没有内在的寄生体二极管，也不需要体二极管。当氮化镓晶体管被迫进行反向导通时，反向电压可以达到-2V或者更高。因此，死区时间内的导通损耗会比较大。电源设计师可能考虑给氮化镓晶体管并联一个二极管，但是并不需要这样做，并联二极管可能会降低效率，且由于反向恢复电荷Qrr而增加噪声。氮化镓增强型晶体管因为没有体二极管，具有更高的反向电压，但是氮化镓晶体管因为没有反向恢复电荷Qrr可以节省功耗，对于通信系统来说，降低噪声和EMI可能更加重要。图3所示为死区时间，Td，约20ns。
为了研究门极驱动电压和死区时间对于效率产生的影响，对图2所示的电路进行了仿真，因此可以改变不同的参数。输出功率设置为240W (12V, 20A)，门极驱动电压和死区时间为变量。从表2中结果可以看到GS66108P最理想的操作条件(最高效率)是当门极电压为6.0V，死区时间为15ns或者更小的时候。当把门极电压从6V降到5V时，电路额外消耗0.26W功耗，导致效率降低了0.1%。从另一方面死区时间来看，死区时间影响更大，使功耗增加了0.78W，效率降低了0.3%。这些数字可能看起来很小，但是当争取更高的整机效率，采用这种卓越的氮化镓技术工作，理解如何优化操作时就显得格外重要。
在这个设计当中，采用了德州仪器的LM5113氮化镓驱动器，虽然它只支持门极电压5.0V。LM5113的一个特点是它具有分开的输出引脚HOH和HOL，允许开通方向使用更高的开通门极电阻，关断方向使用更低的关断门极电阻。因为氮化镓晶体管的门限电压大约是1.5V，使用两个不同的门极电阻可以帮助完美控制开通和关断波形，并且使用更小的关断电阻可以帮助控制米勒效应，确保电路下方的晶体管在关断过渡期不会错误地开通。这个驱动器的另一个特点是具有相对短的死区时间，大约25-45ns，很好地匹配了从下方晶体管开通到上方晶体管关断的死区时间8ns。
很快，具有更高驱动电压(6.0V)和更小延迟时间(15ns)的产品将会发布。UPI半导体公司在不久将来将会发布这一产品uP1964。它使得驱动电压优化为6V，13.5nS延迟时间，5ns上升时间，因此未来将会提供甚至更高的效率。2014年，氮化镓晶体管从氮化镓系统公司(GaN Systems)涌现到市场，很多公司认识到采用氮化镓以达到更高效率的需求，已经设计了更优化的驱动器应用在这些晶体管当中。
实验结果
本文设计并测试了图2中的参考电路，在不同的工作点下测量了效率。图4描述了采用这一设计的测试结果，同时对比了另一相似参考设计电路中使用100V硅材料MOSFET在300kHz工作条件下的效率。
图4清晰表明，在300kHz时，氮化镓的效率比评价很高的100V硅材料MOSFET还要高出很多。这是因为氮化镓晶体管更好的品质因数，没有反向恢复电荷Qrr损耗，以及非常低的门极驱动损耗。在48V系统中使用100V器件，采用氮化镓晶体管会取得最高的效率。
在300 kHz下开始测试效率，采用10uH Coilcraft电感，型号为SER2918H-103。然后频率被调节为1MHz，2uH Coilcraft电感，大约体积比之前缩小5倍。这些表明设计更高功率密度的直直变换器同时仍然可以达到很高的效率。最后，测试了2MHz，依然取得很高效率，稳定的设计。
结论
48V数据中心和通信系统将要求直直变换器设计者们学习如何使用100V晶体管使效率最大化。当在100V甚至40V下对比氮化镓增强型晶体管和硅材料MOSFET时，氮化镓增强型晶体管具有更好的品质因数，门极驱动特性，使得设计者们取得高频率，高功率密度设计，以及非常高的效率等级。
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