在 48V 通信 DC-DC 转换器设计中使用 GaN 晶体管

随着世界对数据的需求增长看似失控，一个真正的问题出现在必须处理这种流量的数据通信系统中。充满通信处理和存储处理的数据中心和基站已经将其电力基础设施、冷却和能源存储扩展到了极限。然而，随着数据流量的持续增长，安装了更高密度的通信和数据处理板，从而消耗更多功率。2012 年，网络和数据中心的通信耗电量占 ICT 行业总耗电量的 35%。到 2017 年，网络和数据中心将使用 50% 的电力，并将继续增长。

该问题的一种解决方案是重新设计数据中心系统，从沿背板分配 12V 电源到在背板上分配 48V 电源。就在最近，2016 年 3 月，谷歌在美国宣布将加入开放计算项目，并贡献其使用 48V 分布式电源系统的知识和经验(自 2012 年以来)。虽然这有助于解决一个问题，但也带来了另一个问题：通信和数据处理卡的电源设计人员如何提高由 48V 提供的 DC-DC 转换器的效率、尺寸和功率水平?

在当今的架构中，使用 12V 背板，业界能够使用具有非常好的品质因数 (FOM) 特性的 40V MOSFET，从而能够在高频下进行开关，提供高效率和高功率密度。使用 48V 背板迫使 DC-DC 设计人员使用 100V MOSFET，它具有明显更高的 FOM 值，因此本质上效率较低。然而，100V 增强模式 GaN 器件能够通过提供非常高效率的高频解决方案来应对 DC-DC 设计人员的挑战。

GaN 48V→12V DC-DC转换器的设计

为了比较 GaN 技术与硅技术的实际性能，使用 GaN 晶体管创建了 48V 至 12V DC-DC 转换器。本次测试使用了来自加拿大 GaN Systems 的 GS61008P。该器件卓越的电气特性可实现高频率和高效率。被称为 GaN PX的嵌入式封装技术可实现非常低的封装电感和非常低的整体电感环路，从而降低噪声、损耗并提高效率。

在热方面，该转换器不使用散热器。GS61008P 具有 0.55 °C/W 的极低热阻抗，可在低温下运行。正如 GaN Systems 所推荐的那样，两个器件下方都使用了通孔，以帮助将热量传导到接地层。在 10 安培的工作电流、25°C 和 500 线性英尺每分钟 (LFM) 气流下，顶部和底部器件结温分别为 43°C 和 42°C。

GS61008P GaN E-HEMT 晶体管在栅极电压为 0V (OFF) 至 6V (ON) 时运行最佳。GaN Systems 技术在栅极驱动方面的一个具体特点是简单且容差大的栅极驱动电平。从数据表中可以看出，推荐栅极电压在 0-6V 范围内工作，但设计用于最大 7V DC 电压，并且可以承受高达 10V 的栅极尖峰电压。这种非常简单的栅极驱动使该器件更易于与许多栅极驱动器一起使用，并允许在栅极电压存在一定的容差、纹波和噪声，而不会威胁到损坏器件。

对于使用 GaN 晶体管的 48V DC-DC 转换器而言，最关键的设计考虑之一是最小化一个晶体管关闭与另一个晶体管开启之间的死区时间。这是因为在 GaN E-HEMT 晶体管中没有本征的寄生二极管，也不需要一个。当GaN晶体管被迫反向导通电流时，反向电压可高达-2V或更高。因此，这段时间的传导损耗可能很高。人们可能会考虑使用与 GaN 晶体管并联的二极管，但这不是必需的，并且由于 Qrr 效应可能会降低效率并增加噪声。由于没有二极管，GaN E-HEMT 具有更高的反向电压。但是由于 GaN 没有 Qrr(反向恢复电荷)，它可以节省电力，而且可能更重要的是在通信系统中，显着降低噪声和 EMI。

为了研究栅极电压和死区时间对效率的影响，对电路进行了仿真，以便改变参数。输出功率设置为 240W(12V，20A)，栅极驱动和死区时间不同。表 2表明 GS66108P 的理想(最高效率)工作是在栅极驱动电压为 6.0V 且死区时间为 15ns 或更短时。通过将栅极驱动从 6V 调低至 5V，电路的功耗增加了 0.26W，导致效率略有下降 0.1%。另一方面，对死区时间的影响更为显着，功率损耗增加 0.78W 或效率降低 0.3%。这些数字可能看起来很小，但在追求最高的整体效率时，使用这种卓越的 GaN 技术并了解如何优化其操作非常重要。

对于此设计，使用了 Texas Instruments 的 LM5113 GaN 驱动器，尽管它仅支持 5.0V 的栅极电压。LM5113 的一个特点是独立的输出引脚 HOH 和 HOL，允许在 ON 方向使用更高的栅极电阻，在 OFF 方向使用更低的栅极电阻。由于这些 GaN 晶体管的阈值电压约为 1.5V，因此具有两个不同的电阻器有助于完美地控制开启和关闭波形。此外，使用较低的关断电阻器有助于管理米勒效应，确保在关断过渡期间较低的晶体管不会被错误地打开。该驱动器的另一个特点是延迟时间相对较短，约为 25-45ns，与从 LOW 侧打开到 HIGH 侧关闭的 8ns 延迟时间非常匹配。

很快，将发布具有更高栅极驱动 (6.0V) 和更低延迟时间 (15nS) 的产品。UPI Semiconductor 即将发布的此类产品是 uP1964。它将允许栅极驱动优化至 6V，具有 13.5nS 的延迟时间和 5ns 的上升时间，因此在未来将提供更高的效率。GaN 晶体管于 2014 年从 GaN Systems 进入市场，许多公司认识到需要使用 GaN 来提高效率，因此设计了与这些晶体管一起使用的优化栅极驱动器。

实验结果

专家描绘了运行此参考设计时的测试结果，并将 300 kHz 的效率与使用 100V 硅 MOSFET 的类似参考设计进行了比较。清楚地表明，在 300 kHz 时，GaN 的效率大大高于额定值非常高的 100V 硅 MOSFET。这是由于更好的 FOM 数据、没有 Qrr 损耗以及显着降低的栅极驱动损耗。对于使用 100V 器件的 48V 系统，应使用 GaN 晶体管以实现最高效率。

效率测试从 300 kHz 开始，使用 10uH Coilcraft 电感器，部件号为 SER2918H-103。然后将频率调整为 1MHz，并使用了一个大约小 5 倍的 2uH Coilcraft 电感器。这表明可以设计出更高密度的 DC-DC 转换器，但仍能达到非常高的效率值。最后，该单元在 2MHz 下进行了测试，再次产生了非常高效、稳定的设计。

最后的分析

48V 数据中心和通信系统将要求 DC-DC 转换器设计人员学习如何使用 100V 晶体管最大限度地提高效率。与 100V 甚至 40V 的硅 MOSFET 相比，GaN E-HEMT 晶体管显着提高了 FOM 和栅极驱动性能，使设计人员能够以非常高的效率水平实现高频、高功率密度设计。