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是时候采用氮化镓功率器件设计DC/DC转换器了

时间:2019-02-02 作者:宜普电源转换公司首席执行官兼联合创始人Alexander Lidow 阅读:
功率半导体是高效电源转换的重要组成部分。实际上,电源转换系统存在于所有现代电子产品中,其应用包括工业、汽车、消费、医疗或航空航天等。它们主要存在于电源、照明控制和电机驱动器中。
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Alexander LidowFuTEETC-电子工程专辑
宜普电源转换公司首席执行官兼联合创始人FuTEETC-电子工程专辑

功率半导体是高效电源转换的重要组成部分。实际上,电源转换系统存在于所有现代电子产品中,其应用包括工业、汽车、消费、医疗或航空航天等。它们主要存在于电源、照明控制和电机驱动器中。FuTEETC-电子工程专辑

据Yole Développement统计,2017年功率器件市场的营收约为300亿美元,其中超过一半的营收来自电源集成电路。到2022年,这一市场的营收预计将增长到约350亿美元。FuTEETC-电子工程专辑

随着全球生活水平的迅速提高,电力需求也在相应增长。为了减少核电、木材、燃煤、燃气电厂对环境的影响,我们必须有效使用电力。此外,随着人们对计算机处理能力、汽车燃油经济性、电动车和无人机行驶距离、灯具能耗等要求越来越高,在可预见的未来,人们对更低成本、更小体积、更高效电源系统的需求将会继续稳步增长。FuTEETC-电子工程专辑

数据中心用电量惊人,需要高效的电源架构和优越的电源转换技术

数据中心及电信系统是电子基础设施的主要成员,与我们的日常生活息息相关。随着技术融入到我们的生活,我们认为这理所当然,可是,就像冰山一样,我们看不到大部分的电子基础设施。这些基础设施的硬件部分,包含着数百万个微处理器、数据存储器、输出数据总线及辅助逻辑电路。 FuTEETC-电子工程专辑

每个处理器可能包含数十亿个微小的集成晶体管电路。这些极小的器件用电量微乎其微,工作电压范围通常是从数伏特到1V以下。而数据中心可以采用数千个处理器,这意味着同一时间使用了万亿个晶体管!因此,数据中心所需的电力将会是从数兆瓦到数十兆瓦。目前,数据中心所需的电力是4160V三相交流电压或13. 8kV。这对于需要很低电压及相当精确电压的信息处理硬件来说,是完全不合适的。因此,我们必须找出高效的电源架构并采用优越的电源转换技术,从而可以高效地降压至1V。FuTEETC-电子工程专辑

实际上,电力昂贵,而且数据中心的用电量惊人。如果要实现大于1000∶1的电压转换比,必须采用多级电源转换,而在每一级的电源转换过程中,都会流失若干能量,从而增加了整个系统的成本。流失的能量就是热量,必需除去。这需要有效的散热管理,通常是利用空调,但这会推高用电量及进一步增加成本。高效电源转换可显著地降低电费开支, 电费开支就是构成数据中心最大的成本。到2020年,我们预计在美国的数据中心的总能耗将高达730亿kWh, 使得我们根本不可能使用低效的供电架构。FuTEETC-电子工程专辑

在这数年间,业界十分关注从48V总线电压转到通常是1V或以下电压的负载点应用。最后一级的电源转换是最困难的,也是目前来说最低效的,大约会流失掉15%的总能量,如果能将这些能量用于数字芯片,就可以提高收入。FuTEETC-电子工程专辑

氮化镓实现显著性能提升,而达到其极限之前仍可以提高效率约300倍

很多工程师提问关于氮化镓(GaN)及碳化硅(SiC)的异同。GaN和SiC都是宽带隙半导体,因此可以在更小、更快的器件中处理比硅更多的功率。GaN的一个额外优点是可以在器件表面产生二维电子气(2DEG)。这种2DEG可以使横向GaN器件更快地传导电子,并使其电阻比Si或SiC更低。横向器件的所有电气连接与有源器件在同一平面上。不同的应用具有不同的电压要求。当电压要求超过600~900V时,横向器件就行不通了。垂直GaN器件(电气连接在顶部和底部)没有2DEG,因此其性能就更接近于SiC。随着垂直SiC二极管和晶体管的成熟度越来越高,SiC有望主导约900V以上的应用。然而, 一般而言,900V以下的市场更大,这也是宜普(EPC)目前在应对的市场。FuTEETC-电子工程专辑

GaN器件才刚刚开始在电源转换领域崭露头角。值得注意的是,功率晶体管在过去短短几年取得了重大进展,导通电阻有了大幅改善。即便如此,目前市场上最好的硅基GaN晶体管也比Si的理论极限要好得多,而且在达到其极限之前仍然可以提高效率约300倍。FuTEETC-电子工程专辑

硅基GaN技术对于集成来说也是非常好的候选对象。现在,我们已经有基于硅基GaN的单片半桥器件。未来还将有完整的片上系统(SoC)功率器件,而在电源转换应用中实质上可以废弃使用分立晶体管。FuTEETC-电子工程专辑

总结

氮化镓功率器件的出现,改变了业界的游戏规则。相比基于传统硅MOSFET器件的解决方案,基于氮化镓器件的解决方案更高效、占板面积更小,而且成本更低。FuTEETC-电子工程专辑

我们业界的共同目标是希望每一个全新设计都可以实现节能、更低的成本及更高的效率,从而设计出更优越的数据中心。目前有越来越多的公司制造基于氮化镓技术的DC/DC电源转换产品,因此可以预期,更高效、更具成本效益的未来,从现在开始!FuTEETC-电子工程专辑

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