氮化镓技术推动新一代电力电子技术变革

逍遥设计自动化

引言
氮化镓(GaN)技术正在改变多个行业的电力电子领域，应用范围涵盖消费电子、数据中心和可再生能源。本文将探讨GaN优越的特性如何实现更高效率、更大功率密度和更优性能[1]。
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, G. y: b) e% ]" ]. k# c' v' f, K电力转换架构的演进
6 ~* X8 Z5 z/ G0 a# y0 v电力转换系统的发展主要由高效率和高功率密度的需求推动。传统硅基设计在高功率应用中已达到技术极限。GaN技术凭借其宽禁带特性和优异的开关特性，提供了显著的技术优势。
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/ d( P$ y5 ^$ x1 D! _  D图1展示了240W充电器的效率与功率密度的关系，显示GaN如何在保持良好散热性能的同时实现更高的功率密度。

+ g- x: Y7 _6 m* }GaN在数据中心的应用
数据中心的功率需求正迅速增长，特别是在人工智能和机器学习工作负载的推动下。现代服务器机架的功率需求已超过100千瓦，对传统电源设计提出了巨大挑战。

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图2展示了人工智能计算功率需求的指数增长，突显了数据中心不断增长的能源需求。
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# j: @5 g. Y" }, o图3展示了GaN技术如何实现钛金级效率标准和紧凑的电源尺寸。

$ r. {" {6 J; p2 e2 X先进电源架构
现代电源设计通过创新拓扑结构（如托特姆极PFC和谐振变换器）充分利用GaN的性能优势，实现更高效率的同时减少元器件数量和尺寸。
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" N$ d6 W8 e% p3 |' `6 B+ }5 Z图4展示了现代数据中心电源中使用的CCM托特姆极PFC和半桥谐振LLC级的原理图。
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3 ]7 w2 @/ d5 H$ S6 N散热管理与效率
* m* E$ y" R3 t# |+ v+ D( G4 gGaN的高效率特性减少了热量产生，使更紧凑的设计和简化的散热解决方案成为现实。
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图5展示了12V输出服务器电源中GaN和硅基解决方案的优化结果比较，显示了效率与功率密度的权衡关系。

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图6展示了48V输出服务器电源的优化结果，证明了GaN相比硅解决方案在效率-密度性能方面的优势。
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实际应用
现代电源设计采用模块化方法来优化布局和散热管理，同时保持可维护性。
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7 L) i# G& X! {' F! n图7展示了采用子卡设计技术实现最佳散热管理的现代强制风冷服务器电源示例。

集成和封装解决方案
1 H# F) f* p! FGaN技术实现了更高水平的集成，减少了元器件数量，提升了整体系统性能。
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图8比较了Buck和LLC变换器的分立与集成设计，以及使用集成GaN解决方案的三相BLDC和全桥太阳能逆变器示意图。

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! z8 {- `% C! G) ~. P" T图9展示了通过GaN集成实现的尺寸缩减，展示了单封装中的半桥和驱动器解决方案。

未来趋势和应用
GaN技术持续发展，在可再生能源、电动汽车和高功率工业系统等领域开拓新的应用。技术发展路线图显示了功率密度和效率方面的重大进展。

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图10展示了混合GaN和碳化硅方案，包括下一代电源解决方案的示意图、器件和外形尺寸。
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" s% R1 |6 V4 h1 A: U7 mGaN技术在多个行业的应用正在加速发展，这主要由高效率和高功率密度的需求推动。随着制造工艺的成熟和成本的降低，GaN将在高性能电力电子应用中占据主导地位。
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  t- F% w1 ~2 I( h) }) C  k% r# TGaN的固有材料优势结合创新的电路拓扑和封装解决方案，使现代电源系统达到了新的性能水平。这种技术变革对满足人工智能、数据中心和可再生能源系统不断增长的功率需求具有重要意义，同时保持了高效率和可靠性标准。

* }- z/ G9 k4 s9 Z* a8 U% L参考文献
) x* X9 w( `. A* X1 c7 H" u[1] M. Di Paolo Emilio (ed.), "GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion," in Case Studies, Springer Nature Switzerland AG, 2024, pp. 185-287.
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