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是時候采用氮化鎵功率器件設計DC/DC轉換器了
來源:EET電子工程專輯 日期:2019-04-22 瀏覽次數:2472

功率半導體是高效電源轉換的重要組成部分。實際上,電源轉換系統存在于所有現代電子產品中,其應用包括工業、汽車、消費、醫療或航空航天等。它們主要存在于電源、照明控制和電機驅動器中。

據Yole Développement統計,2017年功率器件市場的營收約為300億美元,其中超過一半的營收來自電源集成電路。到2022年,這一市場的營收預計將增長到約350億美元。

隨著全球生活水平的迅速提高,電力需求也在相應增長。為了減少核電、木材、燃煤、燃氣電廠對環境的影響,我們必須有效使用電力。此外,隨著人們對計算機處理能力、汽車燃油經濟性、電動車和無人機行駛距離、燈具能耗等要求越來越高,在可預見的未來,人們對更低成本、更小體積、更高效電源系統的需求將會繼續穩步增長。

數據中心用電量驚人,需要高效的電源架構和優越的電源轉換技術

數據中心及電信系統是電子基礎設施的主要成員,與我們的日常生活息息相關。隨著技術融入到我們的生活,我們認為這理所當然,可是,就像冰山一樣,我們看不到大部分的電子基礎設施。這些基礎設施的硬件部分,包含著數百萬個微處理器、數據存儲器、輸出數據總線及輔助邏輯電路。

每個處理器可能包含數十億個微小的集成晶體管電路。這些極小的器件用電量微乎其微,工作電壓范圍通常是從數伏特到1V以下。而數據中心可以采用數千個處理器,這意味著同一時間使用了萬億個晶體管!因此,數據中心所需的電力將會是從數兆瓦到數十兆瓦。目前,數據中心所需的電力是4160V三相交流電壓或13. 8kV。這對于需要很低電壓及相當精確電壓的信息處理硬件來說,是完全不合適的。因此,我們必須找出高效的電源架構并采用優越的電源轉換技術,從而可以高效地降壓至1V。

實際上,電力昂貴,而且數據中心的用電量驚人。如果要實現大于1000∶1的電壓轉換比,必須采用多級電源轉換,而在每一級的電源轉換過程中,都會流失若干能量,從而增加了整個系統的成本。流失的能量就是熱量,必需除去。這需要有效的散熱管理,通常是利用空調,但這會推高用電量及進一步增加成本。高效電源轉換可顯著地降低電費開支, 電費開支就是構成數據中心最大的成本。到2020年,我們預計在美國的數據中心的總能耗將高達730億kWh, 使得我們根本不可能使用低效的供電架構。

在這數年間,業界十分關注從48V總線電壓轉到通常是1V或以下電壓的負載點應用。最后一級的電源轉換是最困難的,也是目前來說最低效的,大約會流失掉15%的總能量,如果能將這些能量用于數字芯片,就可以提高收入。

氮化鎵實現顯著性能提升,而達到其極限之前仍可以提高效率約300倍

很多工程師提問關于氮化鎵(GaN)及碳化硅(SiC)的異同。GaN和SiC都是寬帶隙半導體,因此可以在更小、更快的器件中處理比硅更多的功率。GaN的一個額外優點是可以在器件表面產生二維電子氣(2DEG)。這種2DEG可以使橫向GaN器件更快地傳導電子,并使其電阻比Si或SiC更低。橫向器件的所有電氣連接與有源器件在同一平面上。不同的應用具有不同的電壓要求。當電壓要求超過600~900V時,橫向器件就行不通了。垂直GaN器件(電氣連接在頂部和底部)沒有2DEG,因此其性能就更接近于SiC。隨著垂直SiC二極管和晶體管的成熟度越來越高,SiC有望主導約900V以上的應用。然而, 一般而言,900V以下的市場更大,這也是宜普(EPC)目前在應對的市場。

GaN器件才剛剛開始在電源轉換領域嶄露頭角。值得注意的是,功率晶體管在過去短短幾年取得了重大進展,導通電阻有了大幅改善。即便如此,目前市場上最好的硅基GaN晶體管也比Si的理論極限要好得多,而且在達到其極限之前仍然可以提高效率約300倍。

硅基GaN技術對于集成來說也是非常好的候選對象。現在,我們已經有基于硅基GaN的單片半橋器件。未來還將有完整的片上系統(SoC)功率器件,而在電源轉換應用中實質上可以廢棄使用分立晶體管。

總結

氮化鎵功率器件的出現,改變了業界的游戲規則。相比基于傳統硅MOSFET器件的解決方案,基于氮化鎵器件的解決方案更高效、占板面積更小,而且成本更低。

我們業界的共同目標是希望每一個全新設計都可以實現節能、更低的成本及更高的效率,從而設計出更優越的數據中心。目前有越來越多的公司制造基于氮化鎵技術的DC/DC電源轉換產品,因此可以預期,更高效、更具成本效益的未來,從現在開始!

 

以上分享資訊來自網絡,版權及觀點歸屬原作者。

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