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創寶來芯資訊:德州儀器TI:氮化鎵 (GaN) 帶來電源管理變革的 3 大原因

發布時間:2023/4/18

作為提供不間斷連接的關鍵,許多數據中心依賴于日益流行的半導體技術來提高能效和功率密度。


氮化鎵技術,通常稱為 GaN,是一種寬帶隙半導體材料,越來越多地用于高電壓應用。這些應用需要具有更大功率密度、更高能效、更高開關頻率、更出色熱管理和更小尺寸的電源。除了數據中心,這些應用還包括 HVAC 系統、通信電源、光伏逆變器和筆記本電腦充電電源。


德州儀器 GaN 產品線負責人 David Snook 表示:“氮化鎵是提高功率密度和提高多種應用中電源系統和電源效率的關鍵一步。在設計中使用 GaN 的公司數量正在迅速增長。降低功耗和提高效率至關重要?!?/p>


在過去 60 多年里,硅一直是半導體電源管理元件的基礎,這些元件將交流 (AC) 轉換為直流 (DC),然后根據各種應用需求將直流電壓輸入進行轉換,從手機到工業機器人,不一而足。隨著元件的改進和優化,硅的物理特性已得到充分應用。如今,在不增加尺寸的前提下,硅已無法在所需的頻率下提供更高功率。


因此,在過去十年間,許多電路設計人員轉向采用 GaN,以便在更小的空間里實現更高功率。許多設計人員對于該技術將在未來創新中發揮的潛能充滿信心,主要歸因于以下三點:


原因 1:GaN 已取得發展

做為半導體應用,盡管 GaN 相對于硅來說較新,但已經發展了多年并具有一定可靠性。德州儀器 GaN 芯片通過了 4,000 萬小時以上的可靠性測試。即使在數據中心等要求嚴苛的應用中,其有效性也顯而易見。


David 表示:“隨著消費者和企業對人工智能、云計算和工業自動化等應用的數據量的需求不斷增長,全球范圍內需要越來越多的數據中心。要使數據中心在不會過量增加能耗的前提下上線,需要實現更高效的服務器電源,而 GaN 是實現這類電源的關鍵技術。


原因 2:使用 GaN 的系統級設計可節省成本

盡管現在按芯片級別比較,GaN 比硅昂貴,但 GaN 所帶來的整個系統的成本優勢、效率和功率密度的提高超過了初始投資的價值。例如,在 100 兆瓦數據中心中,使用基于 GaN 的電源管理系統,即使效率增益僅為 0.8%,也能在 10 年間節約 700 萬美元的能源成本。節約的能源足夠 80,000 個家庭,也就是大約一個小型城市,使用一年。


德州儀器電源設計服務團隊總經理 Robert Taylor 表示:“GaN 技術可在較高頻率下運行,進而可實現一些具有更低物料清單成本的拓撲和架構。得益于較高的運行頻率,工程師還可以在設計中選擇較小型的其他元件。GaN 提供了硅芯片所不支持的拓撲,使得工程師可以靈活優化其電源設計。”  


原因 3:通過集成提升了性能和易用性

GaN FET 需要專用的柵極驅動器,這意味著需要額外的設計時間和工作量。不過,德州儀器通過在芯片中集成柵極驅動器和一些保護功能,簡化了 GaN 設計。


David 表示:“集成驅動器有助于提高性能并提供更高的功率密度和更高的開關頻率,從而提升效率并降低整體系統尺寸。集成提供巨大的性能優勢并使用 GaN 簡化設計,可使設計人員更大程度地利用這項技術的優勢。


性能優勢

David 說:“客戶會很高興看到我們的參考設計,比如適用于數據中心的 5 千瓦圖騰柱功率因數校正設計所展示的 GaN 的性能優勢。他們一旦認識到可以以更小的解決方案尺寸實現更高的效率,或者以同樣的外形尺寸實現更高的功率水平,這會促使他們轉向使用 GaN?!?br style="max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;"/>


例如,一些模塊化家用空調設備制造公司采用 GaN 進行設計,將電源效率提高了 5%。


Robert 表示:“從空調耗能的角度來看,這個數字意義重大,提高 5% 的效率可以節省一大筆資金。能用 GaN 器件實現這點真是太棒了?!?/p>




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