氮化鎵(GaN)的理論優勢正在主流設計中得以實現,尤其是在資料中心和通訊機房電源兩個應用領域,與矽元件相比較,GaN的優勢更明顯。採用GaN進行產品設計,廠商和使用者都將能享受到系統成本和營運方面的好處。

本文將使用增強型高電子遷移率電晶體(HEMT)元件的設計與矽基元件設計進行比較,旨在確定品質因素(FOM)優勢(如更低的Qg和Qoss,以及接近於零的Qrr)在多大程度上有助於實現效率和功率密度目標。其關鍵參數的比較資料見圖1~3。

20191015TA31P1 圖1 連續三代超接合面元件的輸出電容特性曲線與增強型GaN的比較。

20191015TA31P2 圖2 連續三代超接合面元件的輸出電容儲能趨勢與GaN的比較。

20191015TA31P3 圖3 增強型GaN(左)與CoolMOS C7(右)的QOSS v.s VDS關係比較。

更緊湊、更高效的伺服器電源

首先,使用GaN替代伺服器電源中的矽MOSFET,並對其效果進行了評估。對資料中心進行電源管理,提高系統效率,可在不增加電路板尺寸的前提下,提高運算性能,降低設備的冷卻成本。典型的高效電源(參見圖4和表1)採用的是圖騰柱(totem pole)AC-DC整流器和兩個交錯的高頻橋臂,在12V電源中,使用帶有中心抽頭變壓器的LLC DC轉換器;此拓撲結構中的48V系統可透過全橋整流實現。

20191015TA31P4 圖4 伺服器電源採用了一個圖騰柱AC-DC整流器和兩個交錯的高頻橋臂,以及一個帶中心抽頭變壓器的LLC DC-DC轉換器。

20191015TA31P4-1 表1 伺服器電源規格。

在無橋拓撲中使用超接合面元件(SuperJunction),必須在三角波電流模式(TCM)下工作。而採用GaN開關則支援三種工作模式:TCM、連續導通模式(CCM)或最佳頻率調變(OFM)模式。採用GaN的設計,PFC(整流)級的效率可在功率密度為170W/inch3時提高0.2~0.3%,功率密度超過200W/inch3時,提高達到0.4%及以上。對於DC-DC這一級,功率密度達200W/inch3時,效率可提高0.2%~0.4%。比如對於鉑金伺服器電源,採用GaN的方案與矽元件方案相比,不僅其效率平均提高了4%左右,在相同外形尺寸下可以支援的最大功率也從1,600W增加到3kW。

如今,越來越多的運算架構開始使用GPU平行處理,這使得每個機架的功耗成倍增加,達到20kW及以上。這時12V電源架構的配電損失過大,因此系統效率更高的機架式48V電源架構越來越受歡迎。

本文對一個3kW的48V整流器進行了最佳化。該電源使用矽MOSFET元件,峰值為效率97.1%,功率密度33W/inch3。首先,將AC-DC級改為一個帶高頻和低頻橋臂的圖騰柱整流器,高頻橋臂採用GaN開關,低頻橋臂採用超接合面MOSFET,這樣效率就可達到97.5%。為進一步提高效率,還增加了第二條高頻橋臂,在圖騰柱上與第一個交錯佈局。

在DC-DC級,採用35mΩ的GaN元件做為初次側半橋,可以進一步提升效率。得益於GaN元件較低的Qoss優勢,以及相應地調整諧振頻率和激磁電感,可將系統效率提高約0.3%。若將變壓器改為矩陣結構,即採用串聯的初級繞組和並聯的次級繞組,還可將系統效率再提高0.3%。

總而言之,將PFC和LLC級的改進相結合,可在功率密度為30~35W/inch3的條件下提高峰值效率,系統效率達98.5%(圖5)。

20191015TA31P5 圖5 圖騰柱PFC級改進結果(包括EMI濾波器),採用GaN和矽基功率元件的系統效率 與功率密度比較。

無線基礎設施的電源要求

如今正朝向5G無線通訊轉型,通訊基地台的配電和整體功耗對營運商建設成本(CAPEX和OPEX)愈發重要。通訊基地台的負載特性和輸出電壓變化範圍與資料中心不同,因此,儘管基地台電源和資料中心電源的拓撲架構相似,但在做設計最佳化時針對的負載範圍側重點不同(基地台電源30~50% v.s資料中心50~70%)。

與48V伺服器電源一樣,設計最佳化工作也會用到GaN(用於高壓開關)與低頻超接合面MOSFET組合,如用於圖騰柱PFC的返回路徑開關和LLC的次級側。研究中針對最佳化而改變的其他參數包括PFC級高頻橋臂的數量、LLC的級數和並聯數量,變壓器的矩陣配置,以及開關頻率的改變,GaN設計的LLC振諧頻率的最佳值通常在150kHz左右,而超接合面MOSFET設計為100kHz。

結果(圖6)發現,在常用的30~40W/inch3功率密度下,GaN解決方案能夠實現更高的效率(約0.3%效率增加)。在此功率密度下,若在PFC級中使用GaN元件,則還能透過使用單個高頻圖騰柱橋臂來降低成本。

20191015TA31P6 圖6 LLC級的改進結果,採用矽和GaN功率元件的效率與功率密度比較。

透過上述應用研究,可發現增強型(e-mode)GaN能夠在大功率電源設計中實現更高效率和功率密度,且不會增加系統成本。利用全面考慮系統設計問題,最佳化利用寬能隙的參數優勢,有助於降低客戶的資本支出和營運成本。

(參考原文: GaN transistors address data center and telecom server power requirements,by Gerald Deboy、Matthias Kasper)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 10月號雜誌