技术分享
在功率半导体领域，氮化镓（GaN）因其高频高效特性被誉为 “下一代开关器件的核心”，这一技术如今已经通过快充进入到了千家万户，但如何持续发挥出氮化镓的功率优势，在不同领域都实现如快充头一样的普及，一直是行业难题。
德州仪器（TI）日前推出了行业标准TOLL封装的GaN LMG365x，满足客户对于多供应商的需求，同时继续发挥高度集成驱动保护与功率的特性，为GaN在数据中心、太阳能微型逆变器、电视电源甚至车载OBC等领域的规模化应用持续助力。
从分立到集成：破解高频设计的 “寄生参数” 魔咒
传统分立 GaN 器件在高频应用中面临两大痛点：驱动难做，保护电路也难做。TI 的 LMG365x系列器件通过 “封装即系统” 的设计理念，将栅极驱动器、保护电路与功率管深度集成，这也是自从TI推出第一颗商用GaN功率器件就采取的产品策略。
德州仪器系统经理游声扬表示，氮化镓的切换频率较快，因此如果采用分立方案，从驱动器到FET之间的寄生电感比较高，因此会限制工作频率，这样就限制了使用GaN的意义，没法发挥出最大价值。而通过集成，可以实现更高频的操作。
同时，由于GaN的切换速度太快，会带来更高的EMI干扰，需要PCB布板比较注意。如果客户用GaN替换SiC的话，可能会造成EMI不匹配。为此，LMG365xR025具有可调栅极驱动器强度允许独立地控制导通和最大关断压摆率，这可用于主动控制 EMI 并优化开关性能。导通压摆率可以从 10V/ns 到 100V/ns 不等、而关断压摆率限制在 10V/ns 至最大值之间。这样可以灵活匹配以前的设计。
而在保护及传感功能方面，保护特性包括欠压锁定 (UVLO) 、 逐周期过流限制 、 短路和过热保护 。 LMG365x在 LDO5V 引脚上提供 5V LDO 输出，可用于为外部数字隔离器供电。LMG3656R025 包含零电压检测 (ZVD) 功能，可在实现零电压开关时提供 来自 ZVD 引脚的脉冲输出。LMG3657R025 包含零电流检测 (ZCD) 功能，可在漏源电流为负时将 ZCD 引脚设置为高电平，并在检测到过零点时转换为低电平。
通过功率管、驱动以及保护的集成，TI的GaN实现了超高集成度的最佳表现。
从Grid到Gate的全覆盖
不同电压等级的GaN，可以构建其从AC到不同电压等级的DC全覆盖。例如使用 650V GaN FET 进行 AC/DC 至 DC/DC 转换，或使用 100V 或 200V GaN FET 进行 DC/DC 转换。
游声扬介绍道，以服务器电源的PSU为例，从AC输入开始，第一级是AC到400V或者450V的DC母线，AC 400V到450V的DC母线一般使用无桥整流器，LMG365x可以应用在无桥式整流器上的高频开关。功率等级级别一般可能会有1.8kW、3.6kW甚至到8kW、12kW的等级，在功率等级比较高的时候，一般客户会选用多相交错方案。
从AC/DC整流之后，有一个隔离式的DC/DC转换器，一般来说是从400V或者450V到48V。由于现在高功率密度和高效率要求，尝尝使用软开关拓扑，像LLC串联谐振的电路。在软开关电路上，TI的氮化镓也能提供比较低的COSS，减少软开关LLC串联谐振控制器转换器上面的环流损耗。实测结果显示，TI采用 TOLL 封装的 GaN 器件可在 PFC 级实现超过 99% 的效率，在 DC/DC 级实现超过 98% 的效率。
针对中压GaN，服务器电源应用中的三个主要系统可以采用 100V 至 200V 的 GaN：
电源单元 (PSU)：开放计算项目的变化正在提升 48V 输出的热度；然而，所需 80V 和 100V 硅解决方案的损耗（栅极驱动和重叠损耗）相较于以前的解决方案有大幅增长。诸如 LMG3100 等 GaN 解决方案有助于尽可能减小LLC次级侧同步整流器中的上述损耗。
中间总线转换器 (IBC)：此系统将 PSU 输出的中间电压 (48V) 转换为较低的电压，然后传送至服务器。随着 48V 电压电平的流行，IBC 有助于减少服务器子系统中的 I 2R 损耗，并使汇流条和电力传输线的尺寸和成本都得到降低。IBC 的缺点是其在电源转换中又增加了一步，可能会对效率产生影响。因此，除了 OEM 经测试可获得高效率和高功率密度最佳组合的几种新拓扑外，GaN也可以发挥作用。
电池备份单元：降压/升压级通常将电池电压 (48V) 转换为总线电压 (48V)。当市电线路断电且电力流为双向时，也可以使用 BBU 进行电池电源转换。不间断电源之所以使用此级，是因为它仅通过电池直接执行一次直流/直流转换，避免了由直流/交流/直流转换引起的损耗。
总结
数据中心内功率密度加速上升，大约十年前，每个机架的平均功率密度约为 4 至 5 kW，但当今的超大规模云计算公司（例如亚马逊、微软或 Facebook）通常要求每个机架的功率密度达到 20 至 30 kW。一些专业系统的要求甚至更高，要求每个机架的功率密度达到100kW 以上。因电源存放及散热空间有限，高功率密度要求电源设计紧凑且高能效，同时电源还需满足数据中心行业特定需求。
GaN无疑是提高功率密度最行之有效的方法之一，GaN 能提供更高的开关频率和更低的功率损耗，这些优势在简化电源设计提高功率密度的场合中尤为突出。TI的标准TOLL封装，全集成，涵盖高压和中压的GaN产品，非常适合数据中心电源的全场景应用。
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