为什么GaN FET是LLC转换器设计的最佳选择
氮化镓（gan）器件以最小的尺寸提供了最佳的性能，提高了效率，并降低了48 v电源转换应用的系统成本。迅速增长的采纳的egan的®在大批量这些应用fet和集成电路已经在高密度计算，以及许多新的汽车动力系统设计中。在所有具有48 v输入电压的拓扑中，使用gan器件可获得最高的效率，最小的尺寸和最低的成本。
为了证明gan器件在48 v应用中具有卓越的性能，本文将概述epc egan器件，展示其优势，并考察了两种48 v应用–高性能服务器和轻度混合动力汽车。最后，除了gan fet技术外，还将讨论集成epower™平台的出现，该平台是单芯片驱动器加上egan fet半桥电源。
epc概述
高效功率转换（epc）是中压（小于400 v）氮化镓技术的公认领导者。自2010年起投入生产，epc egan器件和集成电路已在许多应用中采用，包括计算，汽车，工业，电信，医疗和航空航天。该产品组合有60多种分立晶体管和ic可供现货供应，其中包括aec-q101合格组件的广泛清单。
图1（a）是gan器件与硅mosfet的比较，表明egan晶体管在100v电压下将关键品质因数（面积x r ds（on））提高了五倍。这种改进导致在相同尺寸下尺寸更小，成本更低或r ds（on）更低。此外，在图1（b）中，第二个重要指标r ds（on） x q g表示gan在100 v时的开关速度也比硅好五倍，从而降低了损耗。最后，gan的零反向恢复（q rr）和较小的开关损耗允许频率增加，从而导致更高的功率密度。
图1：（a）品质因数，面积x r ds（on）和（b）品质因数，r ds（on） x qg
gan器件中的热管理
尽管gan器件非常小，但由于我们的egan裸片具有出色的热性能，因此热管理也不再是问题。在图2中是热电阻的情况下，以比较（r θjc针对可用于mosfet的绝对最佳热封装） -采用directfet ®。尽管egan fet在100 v电压下要小五倍，但其热阻却是同类最佳directfet的六倍。这是因为芯片级egan管芯不受周围封装的约束，并且可以直接通过pcb，管芯顶部以及从管芯侧壁横向散发热量。egan fet的较低热阻可提供令人难以置信的热性能-适当散热，只有4 mm 2 芯片仅在25°c或每瓦4°c的温度上升下就可以耗散6 w的功率。
图2：热阻与外壳的比较与可用于mosfet的绝对最佳热封装（直接fet）的比较
服务器总线分配架构
如图3所示，传统的服务器架构使用基于机架的48 v隔离和稳压dc-dc转换器，这些转换器转换为12 v，然后将12 v的负载点转换为cpu或gpu。
图3：传统服务器架构
由于功率的增加，许多服务器设计，特别是新超大规模服务器和最新一代基于gpu的ai服务器采用的服务器设计，已从服务器板上的12 v输入迁移到48 v输入。
图4显示了一种快速兴起的服务器拓扑，其中服务器板的输入为48v。输入电压的四倍提高了高功率的分配，并提高了效率。从传统的12v服务器机架到48v机架的演进将能耗降低了30％以上。
图4：新兴的48 v输入服务器主板拓扑
对于48 v机架内分配拓扑，其他关键的系统级优势是铜的利用率和分配损耗；对于给定的功率水平和总线横截面，与12 v设计相比，48 v系统将配电总线损耗降低了94％。换句话说，在相同的总线损耗下，48 v分配总线可以提供12 v系统功率的四倍。
五伏中间总线架构
将功率从48 v转换为pol（负载点）的最有效方法是两阶段转换，中间电压为12 v或5v。此外，通过连接5 v中间总线，还有一些其他好处通过12 v总线。
通过将中间总线电压从12 v降低到5 v，技术可能会发生变化，从用于pol转换器的功率mosfet到更高密度的bcdmos功率级。这些bcdmos功率级可以达到更高的频率，从而使负载点更小，并使pol位置更接近gpu或cpu。
距离的减小可将pol与gpu / cpu之间的电阻降低350 µω。而且，在1000 a时，损耗降低了350 w！
48 v至5 v中间总线有多种拓扑解决方案。但是，llc拓扑提供了最佳的系统效率和很高的功率密度。有非常小，486毫米2，300瓦的模块达到1700 w的/非常高的功率密度在3当今市场上，和一个600瓦，936毫米2可用于评估模块。所有这三个高功率密度模块都是通过支持1 mhz工作的egan器件实现的。
llc还是更高功率的最佳拓扑。图5示出了在1/8的1种千瓦llc溶液个砖尺寸。尽管尺寸紧凑，但预计满载效率为98％。
图5：98％的效率，1千瓦在小于1/8个砖
最新的服务器应用程序对于48 v服务器需要大于2 kw的输入功率，而对于ai板则需要高达1 kw的功率。使用1 kw的模块可以使电源系统设计工程师减少模块的数量，从而优化整体系统的尺寸和成本。
数据中心48v电源解决方案
总体而言，服务器中有三种常见的转换器拓扑用于48 v转换为12 v或低至5 v –降压转换器，llc和开关电容器。表1列出了每种产品的相对应用范围。
表1：数据中心应用中48 v电源的电源转换解决方案
开关电容价格便宜，在低于600 w的48 v – 12 v电压下非常高效，但是这种拓扑结构限制了更高的功率，并且对于48 v – 5 v来说太复杂了。
降压器是最便宜，最小的解决方案，适用于高达300 w的48 v至12 v电压。降压器和llc的功率密度均高于开关电容器。但是，llc设计允许48 v至12 v和48 v至5 v的最佳效率都高于600瓦。此外，对于v in / v out比率为8：1或10：1的情况，它也是最佳的拓扑。
为什么gan fet是llc转换器设计的最佳选择
表2比较了100 v egan fet和两个同类最佳的mosfet。这种比较使egan fet处于劣势，因为正在将80 v mosfet与100 v egan fet进行比较。还应注意，与具有类似导通电阻的硅器件相比，gan fet具有低得多的栅极电荷，无反向恢复，低输出电荷，并且体积明显较小。
表2：epc 100 v与同类最佳的80 v mosfet
轻度混合动力汽车– 48 v dc-dc转换器的新兴应用
到2025年，预计全球售出的每10辆汽车之一将是48 v轻度混合动力车。在轻度混合动力汽车中使用48 v系统有助于提高燃油效率，在不增加发动机尺寸的情况下提供四倍的功率，并有助于在不增加系统成本的情况下减少二氧化碳的排放。这些系统将需要一个48 v – 12 v双向转换器，功率范围为1 kw至3.5 kw。这些系统的设计重点是尺寸和成本。
对于48 v汽车总线系统，gan技术可提高效率，缩小尺寸并降低系统成本。由于其快速的开关速度，在3 kw 48 v – 12 v降压转换器中，基于gan的解决方案可以以每相250 khz的峰值效率工作，而传统mosfet解决方案则为每相125 khz。较高的频率允许较小的电感器值（2.2μh对4.7μh）和较小的电感器dcr（0.7mω对1.7mω），这导致基于gan的解决方案具有较小的损耗和较小的尺寸。
egan器件带来的更高效率还可以减少所需的相数。例如，在3 kw转换器中，较高的频率和较高的效率导致从五相mosfet系统减少到四相gan系统，从而减小了系统尺寸和成本。以250 khz运行的基于gan的四相解决方案比以125 khz运行的五相mosfet系统小35％，并且成本降低了20％。
与五相mosfet解决方案相比，epc gan fet解决方案具有少一相且开关频率加倍的优点。图6显示，与mosfet解决方案相比，egan fet解决方案在满载时的功耗降低了15％，在10％负载时的功耗降低了30％。这将使满载时的功率损耗降低21w。
图6：五相mosfet与四相egan fet解决方案的48 v – 12 v，3 kw dc-dc功率转换的比较
此外，由于gan仅用四个相就能完成相同工作的能力，而不是mosfet解决方案所需的五个相，因此降低了系统成本。费用比较见表3。
表3：用于48 v – 12 v，3 kw dc-dc电源转换器的五相mosfet解决方案和四相egan fet解决方案的系统成本比较
gan性能特性可实现系统级改善
例如，表4比较了80 v aec认证的fet与基准mosfet。在此表中，egan fet的卓越性能特征显而易见– r ds（on）降低30％，q g降低4倍，q gd降低5倍，q rr降低一半，且尺寸不到其一半，但仅为10倍将热量从设备传递到散热器的热效率更高。与当今汽车中使用的老化的硅功率mosfet相比，egan技术可提供更高的性能，惊人的可靠性以及更低的成本。
表4：48 v – 12 v，3 kw dc-dc电源转换器的五相mosfet解决方案和四相egan fet解决方案的系统成本比较
集成式epower tm平台
由于gan是横向器件，因此很容易集成除分立器件之外的解决方案。epc产品系列的最新成员是具有超小尺寸的全集成功率级。
所述epc2152 epower ™阶段，如图7所示，是一个单芯片驱动器加的egan fet半桥功率级，从而简化设计，布局，组件，节省pcb上的空间，并提高工作效率。对于电源设计人员来说，该设备只是“逻辑输入，电源输出”。
图7：epc2152 epower™级单芯片驱动器以及egan fet半桥功率级
该器件非常小，只有10 mm 2，最大输入电压为80 v，在1 mhz时的最大电流为12.5a。
该gan ic的集成度提高了效率。图8显示了集成egan功率级与分立式解决方案之间的效率增益，其中一个驱动器和两个egan fet在1 mhz和2.5 mhz下工作。绿色曲线是集成的解决方案。蓝色曲线是离散解。
图8：l = 2.2μh和气流= 800 lfm的单片与离散48 v – 12 v降压转换器拓扑
对于在1 mhz下从48 v到12 v的情况，该集成解决方案在12.5 a时提供超过96％的峰值效率和高达2％的效率提高。（1）驱动器与fet的匹配；（2）无寄生栅极环路，公共源极和电源环路电感；以及（3）两个fet的热平衡。
在2.5 mhz时，改进甚至更大，与分立解决方案相比，集成解决方案可提供至少三倍的额外安培。
在高开关频率下，具有极低开关损耗的egan技术远远胜过si mosfet解决方案，通常将48 v至12 v转换系统在1 mhz时的效率限制为91％。
gan与si在48 v电压下的比较……来自前线的更新
回顾了epc gan技术的十年发展历程，考察了gan在高功率密度服务器和轻度混合动力汽车中的卓越性能，并介绍了集成式gan epower™stage的出现，这是电源领域的最新进展转换系统的设计活动可以总结如下：
对于30 v – 60 v的输入范围…与egan器件相比，si没有性能优势
批量生产100 v – 200 v egan fet…与具有相似电压和r ds（on）的mosfet相比，价格可比
这些应用中的新型服务器和汽车……电源架构将由gan fet和ic主导
谈电机上增加变频器的好处
微软通过股票回购计划提高自己的股价
软件无线电在手机和测量仪器中的应用及示例
物联网技术可望降低发电厂带来的污染
云网融合将构筑运营商差异化竞争力，中国电信七方面攻关云网融合
为什么GaN FET是LLC转换器设计的最佳选择
意外风险直升？利尔达燃气智能解决方案助力安全过冬
三星晶圆代工一季度将大降价，欲与对手抢单
图像传感器迎来了黄金时代
纬创iPhone代工厂被打砸的背后竟是克扣工资
夏普或停止给海信供应液晶面板 将先满足自家电视机
空调技术：商用热水机组不启动的原因
以智能手机品牌为主导的智能家居市场中,谁的表现最突出？
百度Apollo展示成熟的无人驾驶与5G平行驾驶
详解超短波视距通信极限距离计算公式
贵州铁塔发展新基建战略促进我国5G建设进入了“快进模式”
理智选购5G手机 MediaTek天玑系列打造性能优选
SDWAN 与 IWAN：打破差异
医疗AI的研发之路有哪些路径可循
电子芯闻早报：搭载Helio X20的10核手机要来了
为了证明gan器件在48 v应用中具有卓越的性能，本文将概述epc egan器件，展示其优势，并考察了两种48 v应用–高性能服务器和轻度混合动力汽车。最后，除了gan fet技术外，还将讨论集成epower™平台的出现，该平台是单芯片驱动器加上egan fet半桥电源。
epc概述
高效功率转换（epc）是中压（小于400 v）氮化镓技术的公认领导者。自2010年起投入生产，epc egan器件和集成电路已在许多应用中采用，包括计算，汽车，工业，电信，医疗和航空航天。该产品组合有60多种分立晶体管和ic可供现货供应，其中包括aec-q101合格组件的广泛清单。
图1（a）是gan器件与硅mosfet的比较，表明egan晶体管在100v电压下将关键品质因数（面积x r ds（on））提高了五倍。这种改进导致在相同尺寸下尺寸更小，成本更低或r ds（on）更低。此外，在图1（b）中，第二个重要指标r ds（on） x q g表示gan在100 v时的开关速度也比硅好五倍，从而降低了损耗。最后，gan的零反向恢复（q rr）和较小的开关损耗允许频率增加，从而导致更高的功率密度。
图1：（a）品质因数，面积x r ds（on）和（b）品质因数，r ds（on） x qg
gan器件中的热管理
尽管gan器件非常小，但由于我们的egan裸片具有出色的热性能，因此热管理也不再是问题。在图2中是热电阻的情况下，以比较（r θjc针对可用于mosfet的绝对最佳热封装） -采用directfet ®。尽管egan fet在100 v电压下要小五倍，但其热阻却是同类最佳directfet的六倍。这是因为芯片级egan管芯不受周围封装的约束，并且可以直接通过pcb，管芯顶部以及从管芯侧壁横向散发热量。egan fet的较低热阻可提供令人难以置信的热性能-适当散热，只有4 mm 2 芯片仅在25°c或每瓦4°c的温度上升下就可以耗散6 w的功率。
图2：热阻与外壳的比较与可用于mosfet的绝对最佳热封装（直接fet）的比较
服务器总线分配架构
如图3所示，传统的服务器架构使用基于机架的48 v隔离和稳压dc-dc转换器，这些转换器转换为12 v，然后将12 v的负载点转换为cpu或gpu。
图3：传统服务器架构
由于功率的增加，许多服务器设计，特别是新超大规模服务器和最新一代基于gpu的ai服务器采用的服务器设计，已从服务器板上的12 v输入迁移到48 v输入。
图4显示了一种快速兴起的服务器拓扑，其中服务器板的输入为48v。输入电压的四倍提高了高功率的分配，并提高了效率。从传统的12v服务器机架到48v机架的演进将能耗降低了30％以上。
图4：新兴的48 v输入服务器主板拓扑
对于48 v机架内分配拓扑，其他关键的系统级优势是铜的利用率和分配损耗；对于给定的功率水平和总线横截面，与12 v设计相比，48 v系统将配电总线损耗降低了94％。换句话说，在相同的总线损耗下，48 v分配总线可以提供12 v系统功率的四倍。
五伏中间总线架构
将功率从48 v转换为pol（负载点）的最有效方法是两阶段转换，中间电压为12 v或5v。此外，通过连接5 v中间总线，还有一些其他好处通过12 v总线。
通过将中间总线电压从12 v降低到5 v，技术可能会发生变化，从用于pol转换器的功率mosfet到更高密度的bcdmos功率级。这些bcdmos功率级可以达到更高的频率，从而使负载点更小，并使pol位置更接近gpu或cpu。
距离的减小可将pol与gpu / cpu之间的电阻降低350 µω。而且，在1000 a时，损耗降低了350 w！
48 v至5 v中间总线有多种拓扑解决方案。但是，llc拓扑提供了最佳的系统效率和很高的功率密度。有非常小，486毫米2，300瓦的模块达到1700 w的/非常高的功率密度在3当今市场上，和一个600瓦，936毫米2可用于评估模块。所有这三个高功率密度模块都是通过支持1 mhz工作的egan器件实现的。
llc还是更高功率的最佳拓扑。图5示出了在1/8的1种千瓦llc溶液个砖尺寸。尽管尺寸紧凑，但预计满载效率为98％。
图5：98％的效率，1千瓦在小于1/8个砖
最新的服务器应用程序对于48 v服务器需要大于2 kw的输入功率，而对于ai板则需要高达1 kw的功率。使用1 kw的模块可以使电源系统设计工程师减少模块的数量，从而优化整体系统的尺寸和成本。
数据中心48v电源解决方案
总体而言，服务器中有三种常见的转换器拓扑用于48 v转换为12 v或低至5 v –降压转换器，llc和开关电容器。表1列出了每种产品的相对应用范围。
表1：数据中心应用中48 v电源的电源转换解决方案
开关电容价格便宜，在低于600 w的48 v – 12 v电压下非常高效，但是这种拓扑结构限制了更高的功率，并且对于48 v – 5 v来说太复杂了。
降压器是最便宜，最小的解决方案，适用于高达300 w的48 v至12 v电压。降压器和llc的功率密度均高于开关电容器。但是，llc设计允许48 v至12 v和48 v至5 v的最佳效率都高于600瓦。此外，对于v in / v out比率为8：1或10：1的情况，它也是最佳的拓扑。
为什么gan fet是llc转换器设计的最佳选择
表2比较了100 v egan fet和两个同类最佳的mosfet。这种比较使egan fet处于劣势，因为正在将80 v mosfet与100 v egan fet进行比较。还应注意，与具有类似导通电阻的硅器件相比，gan fet具有低得多的栅极电荷，无反向恢复，低输出电荷，并且体积明显较小。
表2：epc 100 v与同类最佳的80 v mosfet
轻度混合动力汽车– 48 v dc-dc转换器的新兴应用
到2025年，预计全球售出的每10辆汽车之一将是48 v轻度混合动力车。在轻度混合动力汽车中使用48 v系统有助于提高燃油效率，在不增加发动机尺寸的情况下提供四倍的功率，并有助于在不增加系统成本的情况下减少二氧化碳的排放。这些系统将需要一个48 v – 12 v双向转换器，功率范围为1 kw至3.5 kw。这些系统的设计重点是尺寸和成本。
对于48 v汽车总线系统，gan技术可提高效率，缩小尺寸并降低系统成本。由于其快速的开关速度，在3 kw 48 v – 12 v降压转换器中，基于gan的解决方案可以以每相250 khz的峰值效率工作，而传统mosfet解决方案则为每相125 khz。较高的频率允许较小的电感器值（2.2μh对4.7μh）和较小的电感器dcr（0.7mω对1.7mω），这导致基于gan的解决方案具有较小的损耗和较小的尺寸。
egan器件带来的更高效率还可以减少所需的相数。例如，在3 kw转换器中，较高的频率和较高的效率导致从五相mosfet系统减少到四相gan系统，从而减小了系统尺寸和成本。以250 khz运行的基于gan的四相解决方案比以125 khz运行的五相mosfet系统小35％，并且成本降低了20％。
与五相mosfet解决方案相比，epc gan fet解决方案具有少一相且开关频率加倍的优点。图6显示，与mosfet解决方案相比，egan fet解决方案在满载时的功耗降低了15％，在10％负载时的功耗降低了30％。这将使满载时的功率损耗降低21w。
图6：五相mosfet与四相egan fet解决方案的48 v – 12 v，3 kw dc-dc功率转换的比较
此外，由于gan仅用四个相就能完成相同工作的能力，而不是mosfet解决方案所需的五个相，因此降低了系统成本。费用比较见表3。
表3：用于48 v – 12 v，3 kw dc-dc电源转换器的五相mosfet解决方案和四相egan fet解决方案的系统成本比较
gan性能特性可实现系统级改善
例如，表4比较了80 v aec认证的fet与基准mosfet。在此表中，egan fet的卓越性能特征显而易见– r ds（on）降低30％，q g降低4倍，q gd降低5倍，q rr降低一半，且尺寸不到其一半，但仅为10倍将热量从设备传递到散热器的热效率更高。与当今汽车中使用的老化的硅功率mosfet相比，egan技术可提供更高的性能，惊人的可靠性以及更低的成本。
表4：48 v – 12 v，3 kw dc-dc电源转换器的五相mosfet解决方案和四相egan fet解决方案的系统成本比较
集成式epower tm平台
由于gan是横向器件，因此很容易集成除分立器件之外的解决方案。epc产品系列的最新成员是具有超小尺寸的全集成功率级。
所述epc2152 epower ™阶段，如图7所示，是一个单芯片驱动器加的egan fet半桥功率级，从而简化设计，布局，组件，节省pcb上的空间，并提高工作效率。对于电源设计人员来说，该设备只是“逻辑输入，电源输出”。
图7：epc2152 epower™级单芯片驱动器以及egan fet半桥功率级
该器件非常小，只有10 mm 2，最大输入电压为80 v，在1 mhz时的最大电流为12.5a。
该gan ic的集成度提高了效率。图8显示了集成egan功率级与分立式解决方案之间的效率增益，其中一个驱动器和两个egan fet在1 mhz和2.5 mhz下工作。绿色曲线是集成的解决方案。蓝色曲线是离散解。
图8：l = 2.2μh和气流= 800 lfm的单片与离散48 v – 12 v降压转换器拓扑
对于在1 mhz下从48 v到12 v的情况，该集成解决方案在12.5 a时提供超过96％的峰值效率和高达2％的效率提高。（1）驱动器与fet的匹配；（2）无寄生栅极环路，公共源极和电源环路电感；以及（3）两个fet的热平衡。
在2.5 mhz时，改进甚至更大，与分立解决方案相比，集成解决方案可提供至少三倍的额外安培。
在高开关频率下，具有极低开关损耗的egan技术远远胜过si mosfet解决方案，通常将48 v至12 v转换系统在1 mhz时的效率限制为91％。
gan与si在48 v电压下的比较……来自前线的更新
回顾了epc gan技术的十年发展历程，考察了gan在高功率密度服务器和轻度混合动力汽车中的卓越性能，并介绍了集成式gan epower™stage的出现，这是电源领域的最新进展转换系统的设计活动可以总结如下：
对于30 v – 60 v的输入范围…与egan器件相比，si没有性能优势
批量生产100 v – 200 v egan fet…与具有相似电压和r ds（on）的mosfet相比，价格可比
这些应用中的新型服务器和汽车……电源架构将由gan fet和ic主导
谈电机上增加变频器的好处
微软通过股票回购计划提高自己的股价
软件无线电在手机和测量仪器中的应用及示例
物联网技术可望降低发电厂带来的污染
云网融合将构筑运营商差异化竞争力，中国电信七方面攻关云网融合
为什么GaN FET是LLC转换器设计的最佳选择
意外风险直升？利尔达燃气智能解决方案助力安全过冬
三星晶圆代工一季度将大降价，欲与对手抢单
图像传感器迎来了黄金时代
纬创iPhone代工厂被打砸的背后竟是克扣工资
夏普或停止给海信供应液晶面板 将先满足自家电视机
空调技术：商用热水机组不启动的原因
以智能手机品牌为主导的智能家居市场中,谁的表现最突出？
百度Apollo展示成熟的无人驾驶与5G平行驾驶
详解超短波视距通信极限距离计算公式
贵州铁塔发展新基建战略促进我国5G建设进入了“快进模式”
理智选购5G手机 MediaTek天玑系列打造性能优选
SDWAN 与 IWAN：打破差异
医疗AI的研发之路有哪些路径可循
电子芯闻早报：搭载Helio X20的10核手机要来了