【編者按】麥姆斯咨詢整理了宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）首席執(zhí)行官Alex Lidow公開發(fā)表的關(guān)于GaN功率器件原理、應(yīng)用及優(yōu)勢的理解，為讀者奉獻(xiàn)一系列文章。在本系列文章中，將討論一些新興應(yīng)用如何利用GaN功率器件的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品差異化。

使用eGaN FET和IC實(shí)現(xiàn)尺寸最小、效率最高的48V向5-12V DC-DC轉(zhuǎn)換

在本系列的第一篇文章中，討論了低壓硅基氮化鎵（GaN-on-Silicon）功率器件如何實(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用，如激光雷達(dá)（LiDAR）、包絡(luò)跟蹤和無線充電。這些新應(yīng)用有助于為GaN器件提供強(qiáng)大的供應(yīng)鏈、低生產(chǎn)成本和令人驚嘆的可靠性記錄。與GaN器件相關(guān)的基礎(chǔ)工作，大大激勵(lì)了保守的設(shè)計(jì)工程師，他們開始在主流應(yīng)用中評估GaN器件，例如直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器、交流-直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換器。在本篇文章中，首先將對48V DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行研究。

隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心總線電壓從12V向48V過渡，對提高48V電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度的要求越來越高。在此背景下，基于增強(qiáng)模式氮化鎵場效應(yīng)晶體管（eGaN FET）和集成電路（IC）設(shè)計(jì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器提供了一種高效率、高功率密度的解決方案。此外，歸功于GaN晶體管在減小尺寸、減少重量和物料清單（BOM）成本等方面帶來的優(yōu)勢，48V功率系統(tǒng)在輕度混合動(dòng)力汽車、混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車得到應(yīng)用。

汽車電力電子系統(tǒng)為什么選擇48V？

隨著自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)，以電力推進(jìn)為動(dòng)力的汽車技術(shù)進(jìn)入了復(fù)興期。據(jù)Yole的《自動(dòng)駕駛汽車傳感器-2018版》，2032年全球自動(dòng)駕駛汽車的產(chǎn)量將達(dá)到2310萬臺。2035年，將有3200萬輛汽車實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)。兩大趨勢都將轉(zhuǎn)化為對功率半導(dǎo)體需求的大幅增長。

在最新款汽車中，耗電型電氣驅(qū)動(dòng)功能開始出現(xiàn)，對48V總線電源配電的需求變得更加明顯。這些功能包括自動(dòng)啟停車、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)懸架、電動(dòng)渦輪增壓和變速空調(diào)?，F(xiàn)在，隨著自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)，諸如激光雷達(dá)、雷達(dá)、攝像頭和強(qiáng)大的圖形處理器等系統(tǒng)對配電系統(tǒng)提出了額外的要求。圖形處理器非常耗電，給傳統(tǒng)的12V汽車配電總線額外增加了負(fù)荷。

上述應(yīng)用的電力負(fù)荷日益增加，需要提供與高性能游戲系統(tǒng)、高性能服務(wù)器、人工智能系統(tǒng)甚至加密貨幣挖掘機(jī)（配電總線為48V）等應(yīng)用類似的高功率解決方案。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心為什么選擇48V？

除了上文所提到的汽車應(yīng)用需求之外，新興的先進(jìn)計(jì)算應(yīng)用也需要功率更高、外形尺寸更小的功率器件。服務(wù)器市場的需求不斷增加，一些最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用如多用戶游戲系統(tǒng)、人工智能（AI）和加密貨幣挖掘機(jī)的需求也在逐漸增加。使用eGaN FET和IC為高性能計(jì)算應(yīng)用構(gòu)建48V DC-DC轉(zhuǎn)換器，減小了尺寸，提高了效率，并降低了系統(tǒng)總成本。

基于GaN的功率模塊EPC9205，配置為同步Buck變換器，當(dāng)輸入電壓為48V，輸出電壓為12V，負(fù)載為10A，功率密度達(dá)1400W/in3。此設(shè)計(jì)可提供5V~12V的輸出電壓，每相輸出電流為14A。

如圖1所示，EPC2045額定電壓為100V，導(dǎo)通電阻為7MΩ，能夠持續(xù)負(fù)載16A的電流。此外，EPC2045的體積僅僅是硅基MOSFET的五分之一，寄生電容較低，開關(guān)速度比同類硅基功率器件快得多，即使在較高的開關(guān)頻率下開關(guān)損耗也達(dá)到最低水平。

圖1：EPC推出的100V eGaN功率晶體管

（逆向分析報(bào)告：《EPC增強(qiáng)型GaN-on-Silicon功率晶體管EPC2045》）

DrGaNPLUS功率模塊EPC9205：功率密度達(dá)1400W/in3

EPC9205（圖2）功率模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，使用兩顆EPC2045配置在同步Buck拓?fù)潆娐?。如圖2所示，EPC9205功率模塊還搭載了uPI半導(dǎo)體公司的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器uP1966A，輸入和輸出濾波器，以及電流和溫度傳感器。eGaN FET的高頻性能大大降低了對濾波的要求，從而降低輸出濾波電感的尺寸和損耗。

圖2：EPC9205開發(fā)板將功率密度提高到1400W/in3

圖3：DrGaNPLUS功率模塊EPC9205電路結(jié)構(gòu)示意圖

EPC9205性能驗(yàn)證

當(dāng)頻率為700kHz時(shí)，當(dāng)電壓從48V降低至12V，EPC9205在負(fù)載電流為10A時(shí)峰值效率達(dá)到96%，在氣流速度為400 LFM時(shí)FET的最高溫度為100℃。圖4顯示了負(fù)載電流為15A，輸出電壓為12V時(shí)的功率效率曲線。同樣，EPC9205也能產(chǎn)生低至5V的輸出電壓。圖5顯示了在500kHz下工作時(shí)，輸出電壓為5~12V的效率曲線。

圖4：EPC9205的輸出電流與效率關(guān)系圖：工作在700kHz，輸入電壓為48V，輸出電壓為12V

圖5：EPC9205的輸出電流與效率關(guān)系圖：工作在500kHz，輸入電壓為48V，輸出電壓為12V

為了方便比對，圖6將硅基MOSFET與EPC9205進(jìn)行了比較。硅基MOSFET設(shè)計(jì)采用了較低的開關(guān)頻率300kHz，并選擇了威世（Vishay）IHLP-5050FD-01系列中容量最大的電感（5.6μH）。與硅基MOSFET的電氣性能比較如圖6所示。

圖6：硅基MOSFET與EPC9205的電氣性能比較：輸入電壓為48V，輸出電壓為12V

GaN技術(shù)：效率更高，尺寸更小，成本更低

從48V轉(zhuǎn)換到5~12V的總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，從硅基MOSFET演進(jìn)到eGaN FET，改進(jìn)了尺寸和成本，性能不僅不會退化，還能有所提升。基于eGaN的48V-12V Buck轉(zhuǎn)換器的材料清單（BOM）產(chǎn)生的每瓦特成本小于0.05美元。同樣的BOM可以用于輸出電壓低至5V的器件。

表1：基于eGaN FET的48V-12V Buck轉(zhuǎn)換器物料清單

適用于EPC9205的控制器包括德州儀器（TI）的TPS53632G。當(dāng)EPC9205被配置在多相電源系統(tǒng)中以獲得更大的輸出電流時(shí)，可以使用Mircochip公司的微控制器和數(shù)字信號控制器dsPIC33EP128GS704。

結(jié)論

基于eGaN FET實(shí)現(xiàn)48V、負(fù)載為1A的Buck轉(zhuǎn)換器，已被證明可以產(chǎn)生5~12V的輸出電壓，峰值效率為96%，功率密度為1400W/in3。當(dāng)輸出電壓為12V時(shí)，每瓦的平均成本可以低于0.05美元。eGaN FET無疑已成為更快、更高效、更低成本的半導(dǎo)體解決方案，可用于快速增長的高性能、高功率密度的48V應(yīng)用，尤其適用于是數(shù)據(jù)中心配電和汽車應(yīng)用。