氮化鎵技術(shù)推動新一代電力電子技術(shù)變革

逍遙設(shè)計自動化

引言
2 w$ s) Q  A" J) t2 k3 U氮化鎵(GaN)技術(shù)正在改變多個行業(yè)的電力電子領(lǐng)域，應(yīng)用范圍涵蓋消費電子、數(shù)據(jù)中心和可再生能源。本文將探討GaN優(yōu)越的特性如何實現(xiàn)更高效率、更大功率密度和更優(yōu)性能[1]。

電力轉(zhuǎn)換架構(gòu)的演進
$ @8 s8 E" L# w( p9 G/ O# f電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展主要由高效率和高功率密度的需求推動。傳統(tǒng)硅基設(shè)計在高功率應(yīng)用中已達到技術(shù)極限。GaN技術(shù)憑借其寬禁帶特性和優(yōu)異的開關(guān)特性，提供了顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

圖1展示了240W充電器的效率與功率密度的關(guān)系，顯示GaN如何在保持良好散熱性能的同時實現(xiàn)更高的功率密度。

& w. x/ N) z6 Y5 e  KGaN在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
& b; k$ d3 `9 @. T  K數(shù)據(jù)中心的功率需求正迅速增長，特別是在人工智能和機器學習工作負載的推動下�，F(xiàn)代服務(wù)器機架的功率需求已超過100千瓦，對傳統(tǒng)電源設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn)。

圖2展示了人工智能計算功率需求的指數(shù)增長，突顯了數(shù)據(jù)中心不斷增長的能源需求。
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+ q( m. J7 ]2 _  K圖3展示了GaN技術(shù)如何實現(xiàn)鈦金級效率標準和緊湊的電源尺寸。

先進電源架構(gòu)
" s( e+ w% M2 B6 [# M現(xiàn)代電源設(shè)計通過創(chuàng)新拓撲結(jié)構(gòu)（如托特姆極PFC和諧振變換器）充分利用GaN的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)更高效率的同時減少元器件數(shù)量和尺寸。
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7 h2 i- {; D( J, |  q% k圖4展示了現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心電源中使用的CCM托特姆極PFC和半橋諧振LLC級的原理圖。

6 i  t  H1 K; i8 M" c散熱管理與效率
GaN的高效率特性減少了熱量產(chǎn)生，使更緊湊的設(shè)計和簡化的散熱解決方案成為現(xiàn)實。

# z* j2 t( V1 Q/ B7 s9 Y3 V5 [圖5展示了12V輸出服務(wù)器電源中GaN和硅基解決方案的優(yōu)化結(jié)果比較，顯示了效率與功率密度的權(quán)衡關(guān)系。
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9 {" m0 [3 X: s- ~7 `+ P
圖6展示了48V輸出服務(wù)器電源的優(yōu)化結(jié)果，證明了GaN相比硅解決方案在效率-密度性能方面的優(yōu)勢。
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& z9 m0 v9 Y% g3 M6 i實際應(yīng)用
5 x, W% N: ?# t9 |, W3 G+ X+ C$ V現(xiàn)代電源設(shè)計采用模塊化方法來優(yōu)化布局和散熱管理，同時保持可維護性。

; I+ R' U/ v% @# W' Z1 z/ B2 j圖7展示了采用子卡設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)最佳散熱管理的現(xiàn)代強制風冷服務(wù)器電源示例。
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6 ?/ [  d2 X0 {( J* X集成和封裝解決方案
GaN技術(shù)實現(xiàn)了更高水平的集成，減少了元器件數(shù)量，提升了整體系統(tǒng)性能。

圖8比較了Buck和LLC變換器的分立與集成設(shè)計，以及使用集成GaN解決方案的三相BLDC和全橋太陽能逆變器示意圖。

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圖9展示了通過GaN集成實現(xiàn)的尺寸縮減，展示了單封裝中的半橋和驅(qū)動器解決方案。

未來趨勢和應(yīng)用
GaN技術(shù)持續(xù)發(fā)展，在可再生能源、電動汽車和高功率工業(yè)系統(tǒng)等領(lǐng)域開拓新的應(yīng)用。技術(shù)發(fā)展路線圖顯示了功率密度和效率方面的重大進展。
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圖10展示了混合GaN和碳化硅方案，包括下一代電源解決方案的示意圖、器件和外形尺寸。
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1 ^/ Z7 X# t( K" wGaN技術(shù)在多個行業(yè)的應(yīng)用正在加速發(fā)展，這主要由高效率和高功率密度的需求推動。隨著制造工藝的成熟和成本的降低，GaN將在高性能電力電子應(yīng)用中占據(jù)主導地位。

GaN的固有材料優(yōu)勢結(jié)合創(chuàng)新的電路拓撲和封裝解決方案，使現(xiàn)代電源系統(tǒng)達到了新的性能水平。這種技術(shù)變革對滿足人工智能、數(shù)據(jù)中心和可再生能源系統(tǒng)不斷增長的功率需求具有重要意義，同時保持了高效率和可靠性標準。

參考文獻
[1] M. Di Paolo Emilio (ed.), "GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion," in Case Studies, Springer Nature Switzerland AG, 2024, pp. 185-287.

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