氮化鎵 (GaN)器件以最小的尺寸提供最佳性能、提高效率并降低 48 V 電源轉換應用的系統成本。在這些應用中，eGaN ? FET 和 IC 的應用迅速增長，已被納入高密度計算以及許多新的汽車電源系統設計中。在具有 48 V 輸入的所有拓撲中，最高效率、最小尺寸和最低成本來自使用 GaN 器件。

作為 GaN 器件在 48 V 應用中的卓越性能的證據，本文將概述 EPC eGaN 器件，展示其優勢，并檢查兩種 48 V 應用——高性能服務器和輕度混合動力汽車。最后，除了 GaN FET 技術之外，還將討論集成 ePower? Stage 的出現，即單芯片驅動器和 eGaN FET 半橋電源。

EPC概覽

Efficient Power Conversion (EPC) 是中壓（低于 400 V）氮化鎵技術領域公認的領導者。自 2010 年投產以來，EPC eGaN 器件和集成電路已被許多應用采用，包括計算、汽車、工業、電信、醫療和航空航天。該產品組合有 60 多種分立晶體管和 IC 可供現貨供應，包括大量符合 AEC-Q101 標準的組件。

圖 1(a) 是 GaN 器件與硅 MOSFET 的比較，表明 eGan 晶體管在 100V 時將關鍵品質因數（Area x R DS(on)提高了五倍）。這種改進導致尺寸更小、成本更低或相同尺寸下的 R DS(on)更低。此外，在圖 1(b) 中，第二個重要的品質因數 R DS(on) x Q g表明 GaN 在 100 V 下的開關速度也比硅好五倍，從而降低了損耗。最后，GaN的零反向恢復 (Q RR ) 和更低的開關損耗允許頻率增加，從而導致更高的功率密度。

圖 1：(a) 關鍵品質因數，面積 x R DS(on)和 (b) 品質因數，R DS(on) x Qg

GaN 器件中的熱管理

盡管 GaN 器件非常小，但由于我們的 eGaN 管芯具有出色的熱性能，因此熱管理問題較少。圖 2 是外殼熱阻(R ΘJC ) 與 MOSFET 可用的絕對最佳熱封裝 - DirectFET ? 的比較。雖然 eGaN FET 在 100 V 時小五倍，但它們的熱阻卻是同類最佳 DirectFET 的六倍。這是因為芯片級 eGaN 管芯不受周圍封裝的限制，可以直接通過 PCB、管芯頂部和管芯側壁橫向散熱。eGaN FET 較低的熱阻導致令人難以置信的熱性能——適當散熱，微小的 4 mm 2 僅 25 °C 或每瓦 4 °C 的溫升，芯片就可以消耗 6 W 的功率。

圖 2：與適用于 MOSFET 的絕對最佳熱封裝（直接 FET）與外殼的熱阻比較

服務器總線分布架構

傳統服務器架構（如圖 3 所示）使用基于機架的 48 V 隔離穩壓 DC-DC 轉換器，先轉換為 12 V，然后將 12 V 負載點轉換為 CPU 或 GPU。

圖 3：傳統服務器架構

由于功率不斷增加，許多服務器設計，尤其是新型超大規模服務器和最新一代基于 GPU 的 AI 服務器采用的設計，正在服務器板上從 12 V 輸入遷移到 48 V 輸入。

圖 4 顯示了一個快速出現的服務器拓撲，其中服務器主板的輸入為 48 V。這個四倍高的輸入電壓簡化了高功率的分配并提高了效率。從傳統 12-V 服務器機架到 48-V 機架的演變將能源損失減少了 30% 以上。

圖 4：新興的 48 V 輸入服務器主板拓撲

48 V 機架內配電拓撲的其他關鍵系統級優勢是銅線利用率和配電損耗；對于給定的功率水平和總線橫截面，與 12 V 設計相比，48 V 系統將配電總線損耗降低了 94%。換句話說，在相同的總線損耗情況下，48 V 配電總線可以提供四倍于 12 V 系統的功率。?

五伏中間總線架構

將電源從 48 V 轉換為 POL（負載點）的最有效方法是兩級轉換，中間電壓為 12 V 或 5 V。此外，通過使用 5 V 中間總線，還有一些額外的好處通過 12 V 總線。

通過將中間總線電壓從 12V 降低到 5V，可以實現從用于 POL 轉換器的功率 MOSFET 到更高密度的 BCDMOS 功率級的技術變革。這些 BCDMOS 功率級可以達到更高的頻率，從而使負載點更小，并允許將 POL 放置得更靠近 GPU 或 CPU。

這種距離的減少可以將 POL 和 GPU/CPU 之間的電阻降低多達 350 μΩ。而且，在 1000 A 時，損耗減少了 350 W！

48 V 至 5 V 中間總線有多種拓撲解決方案。然而，LLC 拓撲提供了最佳的系統效率和非常高的功率密度。當今市場上有非常小的 486 mm 2 300 W 模塊，其功率密度達到了 1700 W/in 3的非常高，還有一個 600 W、936 mm 2模塊可供評估。所有這三個高功率密度模塊都由支持 1 MHz 操作的 eGaN 器件實現。

LLC 也是更高功率的最佳拓撲。圖5示出了在1/8的1種千瓦LLC溶液個磚尺寸。盡管尺寸緊湊，但它的預計滿載效率為 98%。

圖5：98％的效率，1千瓦在小于1/8個磚

最新的服務器應用要求 48 V 服務器的輸入功率大于 2 kW，而 AI 板則需要高達 1 kW 的輸入功率。使用 1 kW 模塊允許電源系統設計工程師減少模塊數量以優化整體系統尺寸和成本。

數據中心48V電源解決方案

總的來說，有三種常見的轉換器拓撲可用于將服務器中的 48 V 轉換為 12 V 或低至 5 V——降壓轉換器、LLC 和開關電容器。表 1 顯示了每個的相對應用范圍。

表 1：數據中心應用中 48 V 電源的電源轉換解決方案

開關電容在 48 V – 12 V 電壓低于 600 W 時價格低廉且非常高效，但這種拓撲結構對更高功率有限制，而且對于 48 V – 5 V 來說太復雜了。

降壓是 48 V 至 12 V 至 300 W 的最便宜和最小的解決方案。降壓和 LLC 都比開關電容器具有更高的功率密度。然而，LLC設計允許大于600瓦兩個48伏至12伏和48伏至5伏而且最佳的效率，這是V中的最佳拓撲中/ V出的比8：1或10：1的.

為什么 GaN FET 是 LLC 轉換器設計的最佳選擇

表 2 將 100 V eGaN FET 與兩個同類最佳的 Si MOSFET 對應物進行了比較。這種比較使 eGaN FET 處于輕微劣勢，因為 80 V MOSFET 正在與 100 V eGaN FET 進行比較。另請注意，與具有類似導通電阻的硅器件相比，GaN FET 具有低得多的柵極電荷、無反向恢復、更低的輸出電荷，并且明顯更小。

表 2：EPC 100 V 與一流的 80 V MOSFET

輕度混合動力汽車——48 V DC-DC 轉換器的新興應用

到 2025 年，全球銷售的每 10 輛汽車中就有 1 輛是 48 V 輕度混合動力車。輕度混合動力車中的 48 V 系統有助于提高燃油效率，在不增加發動機尺寸的情況下提供四倍的功率，并有助于在不增加系統成本的情況下減少二氧化碳排放。這些系統將需要一個 48 V – 12 V 雙向轉換器，功率范圍為 1 kW 至 3.5 kW。這些系統的設計重點是尺寸和成本。

對于 48 V 汽車總線系統，GaN 技術可提高效率、縮小尺寸并降低系統成本。由于其快速開關速度，在 3 kW 48 V – 12 V 降壓轉換器中，基于 GaN 的解決方案可以在每相 250 kHz 的峰值效率下運行，而傳統 MOSFET 解決方案的峰值效率為每相 125 kHz。更高的頻率允許更小的電感值（2.2 μH 對 4.7 μH）和更小的電感 DCR（0.7 mΩ 對 1.7 mΩ），這導致基于 GaN 的解決方案的損耗更小，尺寸更小。

eGaN 器件提高的效率還可以減少所需的相數。例如，在 3 kW 轉換器中，更高的頻率和更高的效率導致從五相 MOSFET 系統減少到四相 GaN 系統，從而降低系統尺寸和成本。以 250 kHz 運行的四相基于 GaN 的解決方案比以 125 kHz 運行的五相 MOSFET 系統小 35%，成本降低 20%。

EPC GaN FET 解決方案少了一個相位，開關頻率增加了一倍，也比五相 MOSFET 解決方案更高效。圖 6 顯示，與 MOSFET 解決方案相比，eGaN FET 解決方案在滿負載時的功率損耗降低了 15%，在 10% 負載時的損耗降低了 30%。這在滿載時減少了 21 W 的功率損耗。

圖 6：五相 MOSFET 與四相 eGaN FET 解決方案的 48 V – 12 V、3 kW DC-DC 功率轉換比較

此外，與 MOSFET 解決方案所需的五相相比，GaN 能夠僅用四相完成相同的工作，因此降低了系統成本。表 3 給出了成本比較。

表 3：用于 48 V – 12 V、3 kW DC-DC 電源轉換器的五相 MOSFET 解決方案和四相 eGaN FET 解決方案的系統成本比較

實現系統級改進的 GaN 性能特征

例如，表 4 將 80 V AEC 合格的 FET 與基準 MOSFET 進行了比較。在該表中，eGaN FET 的卓越性能特征顯而易見——R DS(on)降低 30% ，Q g降低 4 倍，Q gd降低 5 倍，Q rr為零，并且尺寸不到其一半但又降低了 10 倍將熱量從設備傳遞到散熱器的熱效率更高。與當今汽車中使用的老化硅功率 MOSFET 相比，eGaN 技術可提供更高的性能、驚人的可靠性和更低的成本。

表 4：用于 48 V – 12 V、3 kW DC-DC 電源轉換器的五相 MOSFET 解決方案和四相 eGaN FET 解決方案的系統成本比較

集成的 ePower TM平臺

由于 GaN 是橫向器件，因此很容易集成分立器件以外的解決方案。超小尺寸的完全集成功率級是 EPC 產品系列的最新成員。

所述EPC2152 EPOWER ?階段，如圖7所示，是一個單芯片驅動器加的eGaN FET半橋功率級，從而簡化設計，布局，組件，節省PCB上的空間，并提高工作效率。對于電源設計人員來說，這個設備就是簡單的“邏輯輸入，電源輸出”。

圖 7：EPC2152 ePower? Stage 單芯片驅動器和 eGaN FET 半橋功率級

該器件非常小，只有 10 mm 2，最大輸入電壓為 80 V，最大電流為 12.5 A，頻率為 1 MHz。

這種 GaN IC 的集成度提高了效率。圖 8 顯示了集成 eGaN 功率級與具有一個驅動器和兩個在 1 MHz 和 2.5 MHz 下運行的 eGaN FET 的分立解決方案之間的效率增益。綠色曲線是綜合解決方案；藍色曲線是離散解。

圖 8：L= 2.2 μH 和氣流 = 800 LFM 的單片與分立式 48 V – 12 V 降壓轉換器拓撲

對于 1 MHz 時的 48 V 至 12 V，該集成解決方案可提供超過 96% 的峰值效率，并在 12.5 A 時提供高達 2% 的效率改進。這種改進可以用三個因素來解釋：(1) 驅動器與 FET 的匹配，(2) 無寄生柵極回路、共源極和電源回路電感以及 (3) 兩個 FET 的熱平衡。

在 2.5 MHz 時的改進甚至更大，與分立解決方案相比，集成解決方案可以提供至少三個額外的安培。

在高開關頻率下，具有超低開關損耗的 eGaN 技術廣泛優于 Si MOSFET 解決方案，對于 48 V 至 12 V 轉換系統，在 1 MHz 下的效率通常限于 91%。

GaN 與 Si 在 48 V 下的對比……前線最新消息

在 EPC 上回顧了 GaN 技術的十年增長，檢查了 GaN 在高功率密度服務器和輕度混合動力汽車中的卓越性能，并介紹了集成 GaN ePower? Stage 的出現，這是來自電源前線的更新轉換系統設計活動可概括如下：

對于 30 V – 60 V 的輸入范圍……與 eGaN 器件相比，Si沒有性能優勢

量產 100 V – 200 V eGaN FET……價格與具有相似電壓和 R DS(on) 的MOSFET 相當

新的服務器和汽車……這些應用中的電源架構將由 GaN FET 和 IC 主導

審核編輯 黃昊宇