氮化鎵技術(shù)推動(dòng)新一代電力電子技術(shù)變革

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
氮化鎵(GaN)技術(shù)正在改變多個(gè)行業(yè)的電力電子領(lǐng)域，應(yīng)用范圍涵蓋消費(fèi)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(shí)現(xiàn)更高效率、更大功率密度和更優(yōu)性能[1]。

0 N. j/ }  g; z$ E! O- I/ e電力轉(zhuǎn)換架構(gòu)的演進(jìn)
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(dòng)。傳統(tǒng)硅基設(shè)計(jì)在高功率應(yīng)用中已達(dá)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(shì)。
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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(shí)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

GaN在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
數(shù)據(jù)中心的功率需求正迅速增長(zhǎng)，特別是在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的推動(dòng)下。現(xiàn)代服務(wù)器機(jī)架的功率需求已超過100千瓦，對(duì)傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。
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; g* s  ^! \' o7 _4 K' x圖2展示了人工智能計(jì)算功率需求的指數(shù)增長(zhǎng)，突顯了數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的能源需求。
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6 d( q- S" @/ e( V圖3展示了GaN技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)鈦金級(jí)效率標(biāo)準(zhǔn)和緊湊的電源尺寸。

先進(jìn)電源架構(gòu)
( I3 S$ Q# [% D; p  [! f現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)通過創(chuàng)新拓?fù)浣Y(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(shì)，實(shí)現(xiàn)更高效率的同時(shí)減少元器件數(shù)量和尺寸。
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$ F3 G% h3 i$ q' f% _) t* R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(jí)的原理圖。

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(jì)和簡(jiǎn)化的散熱解決方案成為現(xiàn)實(shí)。

! ~1 Z7 m( D1 `9 s  w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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, t) {. m4 ?. i% b' K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(shì)。
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, G7 {. [3 u1 j. |4 w實(shí)際應(yīng)用
* b$ i# o1 R; g+ u/ u現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)采用模塊化方法來優(yōu)化布局和散熱管理，同時(shí)保持可維護(hù)性。

圖7展示了采用子卡設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳散熱管理的現(xiàn)代強(qiáng)制風(fēng)冷服務(wù)器電源示例。

1 J1 ?1 s: O6 |+ f5 k1 T. ?( u& E集成和封裝解決方案
1 b& m, ?( d8 ]2 m' nGaN技術(shù)實(shí)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。
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圖8比較了Buck和LLC變換器的分立與集成設(shè)計(jì)，以及使用集成GaN解決方案的三相BLDC和全橋太陽(yáng)能逆變器示意圖。
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圖9展示了通過GaN集成實(shí)現(xiàn)的尺寸縮減，展示了單封裝中的半橋和驅(qū)動(dòng)器解決方案。

0 j! J, ?, L( o2 X/ K未來趨勢(shì)和應(yīng)用
GaN技術(shù)持續(xù)發(fā)展，在可再生能源、電動(dòng)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(jìn)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。

/ G3 k: b! Q1 V* l2 [8 nGaN技術(shù)在多個(gè)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(dòng)。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(dǎo)地位。

GaN的固有材料優(yōu)勢(shì)結(jié)合創(chuàng)新的電路拓?fù)浜头庋b解決方案，使現(xiàn)代電源系統(tǒng)達(dá)到了新的性能水平。這種技術(shù)變革對(duì)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(zhǎng)的功率需求具有重要意義，同時(shí)保持了高效率和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。
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參考文獻(xiàn)
[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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