【導讀】隨著全球對數據需求的不斷增加，這看似失去控制，但已成為數據通信系統中人們不得不去處理的真正問題。數據中心和基站，充滿了通信處理和存儲處理，在電力基礎設施，冷卻和能量儲存方面已經達到了系統的極限。然而隨著數據流量持續增加，人們安裝了更高功率密度的通信和數據處理電路板，吸取更多的電能。如圖1所示，2012年，在信息和通信技術部門總用電量中，網絡和數據中心的通信電源用電量高達35%。到2017年，網絡和數據中心將使用50%的電量，并且隨著時間的推移，這種情況會愈演愈烈。
解決這個問題的一個方案是重新構建數據中心系統，從原來背板上面分布式12V電源變到現在48V電源。就在最近，2016年3月份，美國的谷歌公司宣布將會加入開放計算項目，貢獻該公司自2012年以來在使用48V分布式電力系統方面的知識和經驗。這在解決問題的同時又產生了一個新的挑戰：對于通信和數據卡的電力設計師們，他們如何能在48V供電直直變換器中實現更高的效率，更小的體積，同時提高電源的功率等級呢？
在當今的架構中，通過采用12V的背板，工業界能夠使用具有非常好的品質因數特性的40V MOSFET 來滿足高開關頻率，傳輸高效率以及高功率密度。采用48V背板迫使直直變換器設計師們使用100V MOSFET，因為它們具有更高的品質因數，因此本質上導致了效率的降低。然而，100V增強型氮化鎵晶體管可以滿足直直變換器設計師對于傳輸更高效率，更高頻率方案的要求和挑戰。如表1所示，品質因數值對比。
從表1中可以看到，相對比于40V MOSFET，100V MOSFET 的品質因數值增加了2.3倍，門極驅動功耗增加了2.4倍。然而，100V氮化鎵增強型功率晶體管卻顯示出格外好的開關性能，其品質因數值甚至比40V MOSFET還要小。這些可以使得48V高功率密度通信處理電源在直直變換器架構中達到高效率和高開關頻率的要求。
基于氮化鎵晶體管48V→12V直直變換器設計
為了對比氮化鎵技術和硅技術的實際性能，本文采用氮化鎵晶體管設計了一個48V轉12V直直變換器。在測試過程中，選擇了加拿大氮化鎵系統公司(GaN Systems)的晶體管GS61008P。該器件卓越的電氣特性可幫助實現高開關頻率和高效率。其嵌入式封裝技術，GaNPX?，使得封裝上面具有很低的電感，并實現整體很低的環路電感，進而減少噪聲，損耗，提高了效率。
在熱性能方面，該變換器不需要散熱片。GS61008P具體非常低的熱阻抗0.55°C/W，實現了低溫運行。據氮化鎵系統公司推薦，兩個晶體管下面都設置了一些過孔，從而幫助把熱量傳導到地線層。在運行電流10A，室溫25°C，氣流強度為500LFM條件下，上下兩個晶體管的結溫分別是43°C和42°C。
GS61008P氮化鎵增強型晶體管門極最佳工作電壓VGS為0V (關) 到 6V (開)。在門極驅動方面，氮化鎵系統公司技術的一個特點是門極驅動很簡單并且具有寬操作范圍。從器件數據表可以看到，門極工作電壓推薦值范圍是0-6V，但是最高可以工作在7V DC，可以容許尖鋒電壓到10V。這種簡單的門極驅動方式可以允許使用多種門極驅動器來驅動器件，在對器件不產生破壞的條件下，對于門極電壓上的紋波和噪聲有一定的耐受性。
采用氮化鎵晶體管的48V直直變換器最重要的設計考慮因素之一是當一個晶體管關斷另一個晶體管開通時要減少死區時間。這是因為在氮化鎵增強型晶體管中沒有內在的寄生體二極管，也不需要體二極管。當氮化鎵晶體管被迫進行反向導通時，反向電壓可以達到-2V或者更高。因此，死區時間內的導通損耗會比較大。電源設計師可能考慮給氮化鎵晶體管并聯一個二極管，但是并不需要這樣做，并聯二極管可能會降低效率，且由于反向恢復電荷Qrr而增加噪聲。氮化鎵增強型晶體管因為沒有體二極管，具有更高的反向電壓，但是氮化鎵晶體管因為沒有反向恢復電荷Qrr可以節省功耗，對于通信系統來說，降低噪聲和EMI可能更加重要。圖3所示為死區時間，Td，約20ns。
為了研究門極驅動電壓和死區時間對于效率產生的影響，對圖2所示的電路進行了仿真，因此可以改變不同的參數。輸出功率設置為240W (12V, 20A)，門極驅動電壓和死區時間為變量。從表2中結果可以看到GS66108P最理想的操作條件(最高效率)是當門極電壓為6.0V，死區時間為15ns或者更小的時候。當把門極電壓從6V降到5V時，電路額外消耗0.26W功耗，導致效率降低了0.1%。從另一方面死區時間來看，死區時間影響更大，使功耗增加了0.78W，效率降低了0.3%。這些數字可能看起來很小，但是當爭取更高的整機效率，采用這種卓越的氮化鎵技術工作，理解如何優化操作時就顯得格外重要。
在這個設計當中，采用了德州儀器的LM5113氮化鎵驅動器，雖然它只支持門極電壓5.0V。LM5113的一個特點是它具有分開的輸出引腳HOH和HOL，允許開通方向使用更高的開通門極電阻，關斷方向使用更低的關斷門極電阻。因為氮化鎵晶體管的門限電壓大約是1.5V，使用兩個不同的門極電阻可以幫助完美控制開通和關斷波形，并且使用更小的關斷電阻可以幫助控制米勒效應，確保電路下方的晶體管在關斷過渡期不會錯誤地開通。這個驅動器的另一個特點是具有相對短的死區時間，大約25-45ns，很好地匹配了從下方晶體管開通到上方晶體管關斷的死區時間8ns。
很快，具有更高驅動電壓(6.0V)和更小延遲時間(15ns)的產品將會發布。UPI半導體公司在不久將來將會發布這一產品uP1964。它使得驅動電壓優化為6V，13.5nS延遲時間，5ns上升時間，因此未來將會提供甚至更高的效率。2014年，氮化鎵晶體管從氮化鎵系統公司(GaN Systems)涌現到市場，很多公司認識到采用氮化鎵以達到更高效率的需求，已經設計了更優化的驅動器應用在這些晶體管當中。
實驗結果
本文設計并測試了圖2中的參考電路，在不同的工作點下測量了效率。圖4描述了采用這一設計的測試結果，同時對比了另一相似參考設計電路中使用100V硅材料MOSFET在300kHz工作條件下的效率。
圖4清晰表明，在300kHz時，氮化鎵的效率比評價很高的100V硅材料MOSFET還要高出很多。這是因為氮化鎵晶體管更好的品質因數，沒有反向恢復電荷Qrr損耗，以及非常低的門極驅動損耗。在48V系統中使用100V器件，采用氮化鎵晶體管會取得最高的效率。
在300 kHz下開始測試效率，采用10uH Coilcraft電感，型號為SER2918H-103。然后頻率被調節為1MHz，2uH Coilcraft電感，大約體積比之前縮小5倍。這些表明設計更高功率密度的直直變換器同時仍然可以達到很高的效率。最后，測試了2MHz，依然取得很高效率，穩定的設計。
結論
48V數據中心和通信系統將要求直直變換器設計者們學習如何使用100V晶體管使效率最大化。當在100V甚至40V下對比氮化鎵增強型晶體管和硅材料MOSFET時，氮化鎵增強型晶體管具有更好的品質因數，門極驅動特性，使得設計者們取得高頻率，高功率密度設計，以及非常高的效率等級。
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