跟着全球对数据需求的不断添加，这看似失掉操控，但已成为数据通讯体系中人们不得不去处理的真实问题。数据中心和基站，充满了通讯处理和存储处理，在电力基础设施，冷却和能量贮存方面现已到达了体系的极限。可是跟着数据流量继续添加，人们安装了更高功率密度的通讯和数据处理电路板，汲取更多的电能。如图1所示，2012年，在信息和通讯技能部门总用电量中，网络和数据中心的通讯电源用电量高达35%。到2017年，网络和数据中心将运用50%的电量，而且跟着时刻的推移，这种状况会愈演愈烈。
处理这个问题的一个计划是从头构建数据中心体系，从本来背板上面分布式12V电源变到现在48V电源。就在最近，2016年3月份，美国的谷歌公司宣告将会参加敞开核算项目，奉献该公司自2012年以来在运用48V分布式电力体系方面的常识和经历。这在处理问题的一起又发生了一个新的应战：关于通讯和数据卡的电力规划师们，他们怎么能在48V供电直直变换器中完成更高的功率，更小的体积，一起进步电源的功率等级呢?
在当今的架构中，经过选用12V的背板，工业界能够运用具有十分好的品质因数特性的40V MOSFET 来满意高开关频率，传输高功率以及高功率密度。选用48V背板迫使直直变换器规划师们运用100V MOSFET，由于它们具有更高的品质因数，因而本质上导致了功率的下降。可是，100V增强型氮化镓晶体管能够满意直直变换器规划师关于传输更高功率，更高频率计划的要求和应战。如表1所示，品质因数值比照。
从表1中能够看到，相比照于40V MOSFET，100V MOSFET 的品质因数值添加了2.3倍，门极驱动功耗添加了2.4倍。可是，100V氮化镓增强型功率晶体管却显示出分外好的开关功能，其品质因数值乃至比40V MOSFET还要小。这些能够使得48V高功率密度通讯处理电源在直直变换器架构中到达高功率和高开关频率的要求。
根据氮化镓晶体管48V→12V直直变换器规划
为了比照氮化镓技能和硅技能的实践功能，本文选用氮化镓晶体管规划了一个48V转12V直直变换器。在测验过程中，挑选了加拿大氮化镓体系公司(GaN Systems)的晶体管GS61008P。该器材杰出的电气特性可协助完成高开关频率和高功率。其嵌入式封装技能，GaNPX?，使得封装上面具有很低的电感，并完成全体很低的环路电感，然后削减噪声，损耗，进步了功率。
在热功能方面，该变换器不需要散热片。GS61008P详细十分低的热阻抗0.55°C/W，完成了低温运转。据氮化镓体系公司引荐，两个晶体管下面都设置了一些过孔，然后协助把热量传导到地线层。在运转电流10A，室温25°C，气流强度为500LFM条件下，上下两个晶体管的结温分别是43°C和42°C。
GS61008P氮化镓增强型晶体管门极最佳作业电压VGS为0V (关) 到 6V (开)。在门极驱动方面，氮化镓体系公司技能的一个特点是门极驱动很简略而且具有宽操作规模。从器材数据表能够看到，门极作业电压引荐值规模是0-6V，可是最高能够作业在7V DC，能够容许尖锋电压到10V。这种简略的门极驱动方法能够答应运用多种门极驱动器来驱动器件，在对器材不发生损坏的条件下，关于门极电压上的纹波和噪声有必定的耐受性。
选用氮化镓晶体管的48V直直变换器最重要的规划考虑要素之一是当一个晶体管关断另一个晶体管注册时要削减死区时刻。这是由于在氮化镓增强型晶体管中没有内涵的寄生体二极管，也不需要体二极管。当氮化镓晶体管被逼进行反导游通时，反向电压能够到达-2V或许更高。因而，死区时刻内的导通损耗会比较大。电源规划师或许考虑给氮化镓晶体管并联一个二极管，可是并不需要这样做，并联二极管或许会下降功率，且由于反向恢复电荷Qrr而添加噪声。氮化镓增强型晶体管由于没有体二极管，具有更高的反向电压，可是氮化镓晶体管由于没有反向恢复电荷Qrr能够节约功耗，关于通讯体系来说，下降噪声和EMI或许愈加重要。图3所示为死区时刻，Td，约20ns。
为了研讨门极驱动电压和死区时刻关于功率发生的影响，对图2所示的电路进行了仿真，因而能够改动不同的参数。输出功率设置为240W (12V, 20A)，门极驱动电压和死区时刻为变量。从表2中成果能够看到GS66108P最理想的操作条件(最高功率)是当门极电压为6.0V，死区时刻为15ns或许更小的时分。当把门极电压从6V降到5V时，电路额定耗费0.26W功耗，导致功率下降了0.1%。从另一方面死区时刻来看，死区时刻影响更大，使功耗添加了0.78W，功率下降了0.3%。这些数字或许看起来很小，可是当争夺更高的整机功率，选用这种杰出的氮化镓技能作业，了解怎么优化操作时就显得分外重要。
在这个规划傍边，选用了德州仪器的LM5113氮化镓驱动器，尽管它只支撑门极电压5.0V。LM5113的一个特点是它具有分隔的输出引脚HOH和HOL，答应注册方向运用更高的注册门极电阻，关断方向运用更低的关断门极电阻。由于氮化镓晶体管的门限电压大约是1.5V，运用两个不同的门极电阻能够协助完美操控注册和关断波形，而且运用更小的关断电阻能够协助操控米勒效应，保证电路下方的晶体管在关断过渡期不会过错地注册。这个驱动器的另一个特点是具有相对短的死区时刻，大约25-45ns，很好地匹配了从下方晶体管注册到上方晶体管关断的死区时刻8ns。
很快，具有更高驱动电压(6.0V)和更小延迟时刻(15ns)的产品将会发布。UPI半导体公司在不久将来将会发布这一产品uP1964。它使得驱动电压优化为6V，13.5nS延迟时刻，5ns上升时刻，因而未来将会供给乃至更高的功率。2014年，氮化镓晶体管从氮化镓体系公司(GaN Systems)出现到商场，许多公司认识到选用氮化镓以到达更高功率的需求，现已规划了更优化的驱动器应用在这些晶体管傍边。
试验成果
本文规划并测验了图2中的参阅电路，在不同的作业点下测量了功率。图4描绘了选用这一规划的测验成果，一起比照了另一类似参阅规划电路中运用100V硅资料MOSFET在300kHz作业条件下的功率。
图4明晰标明，在300kHz时，氮化镓的功率比点评很高的100V硅资料MOSFET还要高出许多。这是由于氮化镓晶体管更好的品质因数，没有反向恢复电荷Qrr损耗，以及十分低的门极驱动损耗。在48V体系中运用100V器材，选用氮化镓晶体管会获得最高的功率。
在300 kHz下开端测验功率，选用10uH Coilcraft电感，型号为SER2918H-103。然后频率被调理为1MHz，2uH Coilcraft电感，大约体积比之前缩小5倍。这些标明规划更高功率密度的直直变换器一起仍然能够到达很高的功率。最终，测验了2MHz，仍然获得很高功率，安稳的规划。
定论
48V数据中心和通讯体系将要求直直变换器规划者们学习怎么运用100V晶体管使功率最大化。当在100V乃至40V下比照氮化镓增强型晶体管和硅资料MOSFET时，氮化镓增强型晶体管具有更好的品质因数，门极驱动特性，使得规划者们获得高频率，高功率密度规划，以及十分高的功率等级。
