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氮化鎵（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電源轉換應用的系統成本。迅速增長的采納的eGaN的?在大批量這些應用FET和集成電路已經在高密度計算，以及許多新的汽車動力系統設計中。在所有具有48 V輸入電壓的拓撲中，使用GaN器件可獲得最高的效率，最小的尺寸和最低的成本。

為了證明GaN器件在48 V應用中具有卓越的性能，本文將概述EPC eGaN器件，展示其優勢，并考察了兩種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技術外，還將討論集成ePower?平臺的出現，該平臺是單芯片驅動器加上eGaN FET半橋電源。

EPC概述

高效功率轉換（EPC）是中壓（小于400 V）氮化鎵技術的公認領導者。自2010年起投入生產，EPC eGaN器件和集成電路已在許多應用中采用，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，其中包括AEC-Q101合格組件的廣泛清單。

圖1（a）是GaN器件與硅MOSFET的比較，表明eGan晶體管在100V電壓下將關鍵品質因數（面積x RDS（on））提高了五倍。這種改進導致在相同尺寸下尺寸更小，成本更低或RDS（on）更低。此外，在圖1（b）中，第二個重要指標RDS（on）x Qg表示GaN在100 V時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（QRR）和較小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）品質因數，面積x RDS（on）和（b）品質因數，RDS（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裸片具有出色的熱性能，因此熱管理也不再是問題。在圖2中是熱電阻的情況下，以比較（RΘJC針對可用于MOSFET的絕對最佳熱封裝） -采用DirectFET?。盡管eGaN FET在100 V電壓下要小五倍，但其熱阻卻是同類最佳DirectFET的六倍。這是因為芯片級eGaN管芯不受周圍封裝的約束，并且可以直接通過PCB，管芯頂部以及從管芯側壁橫向散發熱量。eGaN FET的較低熱阻可提供令人難以置信的熱性能-適當散熱，只有4 mm2芯片僅在25°C或每瓦4°C的溫度上升下就可以耗散6 W的功率。

圖2：熱阻與外殼的比較與可用于MOSFET的絕對最佳熱封裝（直接FET）的比較

服務器總線分配架構

如圖3所示，傳統的服務器架構使用基于機架的48 V隔離和穩壓DC-DC轉換器，這些轉換器轉換為12 V，然后將12 V的負載點轉換為CPU或GPU。

圖3：傳統服務器架構

由于功率的增加，許多服務器設計，特別是新超大規模服務器和最新一代基于GPU的AI服務器采用的服務器設計，已從服務器板上的12 V輸入遷移到48 V輸入。

圖4顯示了一種快速興起的服務器拓撲，其中服務器板的輸入為48V。輸入電壓的四倍提高了高功率的分配，并提高了效率。從傳統的12V服務器機架到48V機架的演進將能耗降低了30％以上。

圖4：新興的48 V輸入服務器主板拓撲

對于48 V機架內分配拓撲，其他關鍵的系統級優勢是銅的利用率和分配損耗；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，在相同的總線損耗下，48 V分配總線可以提供12 V系統功率的四倍。

五伏中間總線架構

將功率從48 V轉換為POL（負載點）的最有效方法是兩階段轉換，中間電壓為12 V或5V。此外，通過連接5 V中間總線，還有一些其他好處通過12 V總線。

通過將中間總線電壓從12 V降低到5 V，技術可能會發生變化，從用于POL轉換器的功率MOSFET到更高密度的BCDMOS功率級。這些BCDMOS功率級可以達到更高的頻率，從而使負載點更小，并使POL位置更接近GPU或CPU。

距離的減小可將POL與GPU / CPU之間的電阻降低350 μΩ。而且，在1000 A時，損耗降低了350 W！

48 V至5 V中間總線有多種拓撲解決方案。但是，LLC拓撲提供了最佳的系統效率和很高的功率密度。有非常小，486毫米2，300瓦的模塊達到1700 W的/非常高的功率密度在3當今市場上，和一個600瓦，936毫米2可用于評估模塊。所有這三個高功率密度模塊都是通過支持1 MHz工作的eGaN器件實現的。

LLC還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

最新的服務器應用程序對于48 V服務器需要大于2 kW的輸入功率，而對于AI板則需要高達1 kW的功率。使用1 kW的模塊可以使電源系統設計工程師減少模塊的數量，從而優化整體系統的尺寸和成本。

數據中心48V電源解決方案

總體而言，服務器中有三種常見的轉換器拓撲用于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列出了每種產品的相對應用范圍。

表1：數據中心應用中48 V電源的電源轉換解決方案

開關電容價格便宜，在低于600 W的48 V – 12 V電壓下非常高效，但是這種拓撲結構限制了更高的功率，并且對于48 V – 5 V來說太復雜了。

降壓器是最便宜，最小的解決方案，適用于高達300 W的48 V至12 V電壓。降壓器和LLC的功率密度均高于開關電容器。但是，LLC設計允許48 V至12 V和48 V至5 V的最佳效率都高于600瓦。此外，對于Vin/ Vout比率為8：1或10：1的情況，它也是最佳的拓撲。

為什么GaN FET是LLC轉換器設計的最佳選擇

表2比較了100 V eGaN FET和兩個同類最佳的MOSFET。這種比較使eGaN FET處于劣勢，因為正在將80 V MOSFET與100 V eGaN FET進行比較。還應注意，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，低輸出電荷，并且體積明顯較小。

表2：EPC 100 V與同類最佳的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，預計全球售出的每10輛汽車之一將是48 V輕度混合動力車。在輕度混合動力汽車中使用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的排放。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。由于其快速的開關速度，在3 kW 48 V – 12 V降壓轉換器中，基于GaN的解決方案可以以每相250 kHz的峰值效率工作，而傳統MOSFET解決方案則為每相125 kHz。較高的頻率允許較小的電感器值（2.2μH對4.7μH）和較小的電感器DCR（0.7mΩ對1.7mΩ），這導致基于GaN的解決方案具有較小的損耗和較小的尺寸。

eGaN器件帶來的更高效率還可以減少所需的相數。例如，在3 kW轉換器中，較高的頻率和較高的效率導致從五相MOSFET系統減少到四相GaN系統，從而減小了系統尺寸和成本。以250 kHz運行的基于GaN的四相解決方案比以125 kHz運行的五相MOSFET系統小35％，并且成本降低了20％。

與五相MOSFET解決方案相比，EPC GaN FET解決方案具有少一相且開關頻率加倍的優點。圖6顯示，與MOSFET解決方案相比，eGaN FET解決方案在滿載時的功耗降低了15％，在10％負載時的功耗降低了30％。這將使滿載時的功率損耗降低21W。

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

此外，由于GaN僅用四個相就能完成相同工作的能力，而不是MOSFET解決方案所需的五個相，因此降低了系統成本。費用比較見表3。

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

GaN性能特性可實現系統級改善

例如，表4比較了80 V AEC認證的FET與基準MOSFET。在此表中，eGaN FET的卓越性能特征顯而易見– RDS（on）降低30％，Qg降低4倍，Qgd降低5倍，Qrr降低一半，且尺寸不到其一半，但僅為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的硅功率MOSFET相比，eGaN技術可提供更高的性能，驚人的可靠性以及更低的成本。