【導讀】隨(sui)著(zhe)技(ji)術(shu)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，人(ren)們(men)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)需(xu)求(qiu)亦(yi)在(zai)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。為(wei)了(le)可(ke)持(chi)續(xu)地(di)推(tui)動(dong)這(zhe)一(yi)發(fa)展(zhan)，太(tai)陽(yang)能(neng)等(deng)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)被(bei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)用(yong)於(yu)電(dian)網(wang)供(gong)電(dian)。同(tong)樣(yang)，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)更(geng)快(kuai)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)、大數據存儲以及人工智能 (AI)，服務器的需求也在呈指數級增長。鑒於這些趨勢，設計人員麵臨著一項重大挑戰：如何在持續提升設計效率的同時，在相同的尺寸內實現更高的功率。

引言

隨(sui)著(zhe)技(ji)術(shu)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，人(ren)們(men)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)需(xu)求(qiu)亦(yi)在(zai)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。為(wei)了(le)可(ke)持(chi)續(xu)地(di)推(tui)動(dong)這(zhe)一(yi)發(fa)展(zhan)，太(tai)陽(yang)能(neng)等(deng)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)被(bei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)用(yong)於(yu)電(dian)網(wang)供(gong)電(dian)。同(tong)樣(yang)
，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)更(geng)快(kuai)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)、大數據存儲以及人工智能 (AI)，服務器的需求也在呈指數級增長。鑒於這些趨勢
，設計人員麵臨著一項重大挑戰：如何在持續提升設計效率的同時，在相同的尺寸內實現更高的功率。

這一挑戰已經推動了氮化镓 (GaN) 在高壓電源設計中的廣泛應用，原因在於 GaN 具有兩大優勢：

• 提高功率密度。GaN 的開關頻率較高

，使設計人員能夠使用體積更小的無源器件（如電感器和電容器），從而縮小電路板的尺寸。

• 提升效率。相較於矽設計，GaN 出色的開關和導通損耗性能可將損耗降低 50% 以上。

除了業界已經采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到歡迎，可在高壓 GaN 之前無法支持的電源係統中實現更高的功率密度和效率。

這篇文章將詳述四個主要的中壓應用領域
，這些領域正在逐漸采用 GaN 技術。

應用領域 1：太陽能

太陽能是發展最快的可再生能源，從 2021 年到 2022 年增長了 26%，預計在未來七到八年內，太陽能利用將以約 11.5%defuhenianzengchanglvfazhan。suizhetaiyangnengdianchibananzhuangshuliangdezengjia
，renmenduixitongxiaolvhegonglvmidudexuqiuyejiangsuizhizengchang，yinweizheshiyizhongduikongjianxuqiujiaogaodejishu。‌對於太陽能電池板子係統而言，LMG2100R044和 LMG3100R017 器件有助於將係統尺寸縮小 40% 以上。

太陽能主要通過太陽能電池板的兩種子係統得以實現：一種是升壓級後跟逆變器級，將直流電壓範圍轉換為交流電壓（如圖 1 所示）；另一種是降壓和升壓級
，其中電源優化器將不斷變化的直流電壓轉換為常見的直流電壓電平（利用最大功率點跟蹤），以輸送到串式逆變器（如圖 2 所示）。

圖 1 微型逆變器框圖

圖 2 電源優化器框圖

應用領域 2：服務器

考慮到我們仍處在人工智能革命的初期階段，為了運行複雜的機器學習算法並實現更大、更複雜數據集的存儲，服務器的需求將呈指數級增長。要求每個級的效率高於 98% 的高密度設計將能夠滿足這些增強型處理和存儲需求。

如圖 3 所示，服務器電源應用中的三個主要係統可以采用 100V 至 200V 的 GaN：

• 電源單元 (PSU)。開放計算項目的變化正在提升 48V 輸出的熱度；然而，所需 80V 和 100V 矽解決方案的損耗（柵極驅動和重疊損耗）相較於以前的解決方案有大幅增長。諸如 LMG3100 等 GaN 解決方案有助於盡可能減小電感-電感-電容器級（LLC 級）次級側同步整流器中的上述損耗。

• 中間總線轉換器 (IBC)。此係統將 PSU 輸出的中間電壓 (48V) 轉換為較低的電壓，然後傳送至服務器。隨著 48V 電壓電平的流行
，IBC 有助於減少服務器子係統中的 I2R 損耗，並使彙流條和電力傳輸線的尺寸和成本都得到降低。IBC 的缺點是其在電源轉換中又增加了一步，可能會對效率產生影響。因此，除了 OEM 經測試可獲得高效率和高功率密度最佳組合的幾種新拓撲外，請務必充分利用 LMG2100 和 LMG3100 等高效 GaN 器件。

• 電池備份單元。降壓/升壓級通常將電池電壓 (48V) 轉換為總線電壓 (48V)。當dang市shi電dian線xian路lu斷duan電dian且qie電dian力li流liu為wei雙shuang向xiang時shi，您nin也ye可ke以yi使shi用yong電dian池chi備bei份fen單dan元yuan進jin行xing電dian池chi電dian源yuan轉zhuan換huan。不bu間jian斷duan電dian源yuan之zhi所suo以yi使shi用yong此ci級ji，是shi因yin為wei它ta僅jin通tong過guo電dian池chi直zhi接jie執zhi行xing一yi次ci直zhi流liu/直流轉換，避免了由直流/交流/直流轉換引起的損耗。

圖 3 服務器電源框圖

應用領域 3：電信電源

在電信無線電設備中，電源有可能采用 GaN 設計。由於無線電設備通常安置在戶外，僅依賴自然冷卻，因此高效率顯得尤為重要。此外，隨著移動網絡（如 5G、6G）的逐步發展
，加快網絡速度和數據處理的需求也在增加
，因此需要具有極低損耗的高密度設計。LMG2100 有助於將此類設計的功率密度提高 40% 以上。

在典型的中壓應用中，GaN 將負電池電壓電平（通常為 -48V）的電源，利用反向降壓/升壓或正向轉換器拓撲轉換為適用於功率放大器的 +48V 電源，或者利用降壓轉換器拓撲為現場可編程門陣列和其他直流負載供電。

應用領域 4：電機驅動

沒錯，您可以在電機驅動電路中使用 GaN
，其應用領域廣泛，包括機器人、電動工具驅動以及兩輪牽引逆變器設計等負載曲線不同的應用。GaN 的零反向恢複特性（因為不存在體二極管）導致二極管反向偏置電流沒有穩定時間
，從而降低了死區損失，提高了效率。如前所述，GaN 的開關頻率更高，電流紋波更低，這樣就可以減小無源器件的尺寸，從而實現更平滑的電機驅動設計。

圖 4 展示了如何在電機驅動單元中添加 GaN。

圖 4 電機驅動單元框圖

結語

在各種中壓應用中


，GaN 有潛力取代傳統的矽 FET。100V 至 200V GaN 的其他應用領域包括通用直流/直流轉換、D 類音頻放大器，以及電池測試和化成設備。此外
，GaN 還能提供更高的開關頻率和更低的功率損耗
，這些優勢在簡化電源設計的集成電源級中尤為突出。

（來源：德州儀器）

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