在硅统治了数十年之后，氮化镓在电力电子领域风靡一时。 近年来，该材料因其许多优异的特性而受到青睐，即减少栅极电荷 (Qg)、输出电容 (COSS) 和反向恢复损耗 (QRR)。 当需要将电力从一种形式或级别分配或转换为另一种形式或级别时，这些品质都可以抑制功率损失。

GaN 的开关频率更高，使您能够使用更小的电感器、电容器和其他无源器件以及变压器和磁性元件，从而节省最终印刷电路板 (PCB) 的空间和成本。

TI 在其具有双面冷却功能的新型 100V 系列 GaN 功率级：LMG2100 和 LMG3100 中充分利用了这些功率处理特性。 TI GaN 电源产品管理主管 David Snook 表示，GaN 的快速开关速度和低功率损耗使他们能够将太阳能逆变器和数据中心的中压电源设备的占地面积减少 40% 以上。

他补充说，用新型 GaN 功率 FET 替换硅 MOSFET 可将开关功率损耗降低 50%。 TI 还将 GaN FET 集成在与栅极驱动器相同的双面冷却封装中，从而实现每立方英寸 1.5 kW 的功率密度。

TI 表示，集成开关和栅极驱动器可进一步降低开关损耗，因为封装内较小的功率环路和栅极环路有助于减少寄生效应。 功率级包含采用半桥配置的单个 GaN FET 或双 GaN FET 以及栅极驱动器 IC。

据该公司称，GaN 功率 FET 几乎可以安装在任何中压电源中，但最大的应用可能出现在为数据中心的高端处理器和人工智能芯片供电的电源。

TI 在今年的应用电力电子会议 (APEC) 上首次展示了这些芯片。

AI服务器的供电困境

最新的人工智能加速器，例如 NVIDIA 的 H100 GPU，功耗高达 700 W。 但由于它们使用相对较小的电源电压，因此每个都需要数百至数千安培的电流。 这将每机架的功率规格从目前的每机架 15 千瓦提高到 30 千瓦，甚至达到 90 千瓦。 随着数据中心的电力需求增长高达 3 倍，在更小的空间内提供更多电力至关重要。

当电力从电网进入数据中心时，在进入处理器之前遇到的核心构建块之一是开关模式电源 (SMPS)。 SMPS 将分配到服务器列的高压电源（120 或 280 V AC）转换为较小的直流电压，可供处理器安全使用。 长期以来，12 V 是这些电源装置 (PSU) 之一的标准直流电压输出，但科技巨头已将其标准提高到 48 V。

TI 将其 GaN 功率 IC 瞄准了向数据中心内不同点供电的电源单元。

最大限度地减少功率损耗的关键是以更高的电压和更小的电流提供功率，然后将电压降低到尽可能接近服务器芯片的水平。 由于欧姆定律规定功率等于电流乘以电压 (P = I × V)，因此将功率传输从 12 V 提高到 48 V 意味着使用的电流减少了 4 倍，从而减少了由于电源轨上的电阻而导致的过多功率损耗。 根据欧姆定律的另一种形式，即功率等于电阻乘以电流的平方 (P = R*I2)，功率损耗下降了 16 倍。

随着数据中心电力需求的不断增加，TI 表示，由于功率损耗过多，标准硅 MOSFET 不再适用于转换和调节服务器电源。 TI 表示，LMG2100 和 LMG3100 等 GaN 功率 IC 可以减少 LLC 级次级同步整流器中的这些损耗，从而降低数据中心的成本和碳足迹。 LMG2100 和 LMG3100 还具有非常低的导通电阻 (RDS(on))，分别为 4.4 mΩ 和 1.7 mΩ。

TI 表示，GaN FET 是中间总线转换器 (IBC) 的理想选择，随着数据中心的供电网络 (PDN) 升级到 48V 总线，中间总线转换器的应用也越来越广泛。 IBC 用于将电源输出的中间 48V 电压转换为较低电压，然后流入服务器本身。 据 TI 称，它有助于减少向服务器供电时的 I2R 损耗，从而使您能够减小服务器中母线和输电电线的尺寸和成本。

IBC 的缺点是它增加了功率转换的另一个步骤，从而降低了效率。 TI 表示，LMG2100 和 LMG3100 等高效 GaN 功率级可以最大限度地减少这种权衡。

电源和总线转换器是电源进入电压调节器之前的最后一步，电压调节器以各种方式进一步降低 12V 或 48V 直流输入电压，以运行服务器中的处理器或加速器。

TI表示，在48V至12V DC-DC转换器的背景下，100V GaN功率IC可以将系统效率驱动至98%或更高。 这主要是由于输出电容减少了 60%，栅极驱动损耗减少了 50%。

TI GaN 功率 FET 的其他独特功能之一是其耐热增强型双面冷却封装。 TI 表示，封装顶部的标准冷却与其扩展的底部接地焊盘相结合，可以同时更有效地从 PCB 两侧散热，从而提高热阻。 这对于太阳能逆变器和其他被动冷却系统来说是一个重大区别。

新型 GaN 功率 IC 还将改造太阳能逆变器和其他可再生能源硬件。

据该公司称，GaN 功率级 IC 也适用于其他领域，包括太阳能逆变器。 在这种情况下，更高的功率密度和效率使同一块太阳能电池板能够在更小的占地面积内存储和产生更多的电力。

一对子系统构成了每个太阳能电池板的电力传输主干。 升压 PFC 级后接逆变器，将直流电压范围转换为电网使用的交流电压。 然后，在降压-升压级中，DC-DC 电源转换器使用最大功率点跟踪 (MPPT) 将变化的直流电压转换为公共直流电压，然后将其传送到串式逆变器。

TI 高压电源部总经理 Kannan Soundarapandian 表示：“对于电源设计人员来说，在有限的空间内提供更多功率始终是一项关键的设计挑战。”