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氮化鎵如何使更輕小的5G解決方案成為可能

2021年09月15日 11:28 ? 次閱讀

作者:英飛凌科技高級首席應用工程師Giuseppe Bernacchia,英飛凌科技應用工程總監Moshe Domb

隨著 5G 的推出,下一代蜂窩網絡有望提供三種非常重要的功能,進而改變我們應用無線技術的方式。它們包括大規模連接能力、巨大數據吞吐量和超低延遲,使許多應用場景最終可以不再使用有線網絡。在企業和消費者等待

5G技術普及并從中受益的同時,網絡運營商必須仔細評估如何安裝所需的硬件。

今天的5G設備通常使用租用的站點和物業,對所占建筑面積、設備體積和允許重量有嚴格的限制。此外,與 4G 相比,5G 使用了一些額外設備,例如有源天線系統 (AAS) 和微型基站收發器 (BTS),以實現大規模連接所需的覆蓋范圍(見圖 1)。這些站點的電力使用也可能受到限制,從而限制了可以安裝的設備。由于租賃成本約占運營費用 (OPEX) 支出的三分之一, 5G 系統需要比之前的 4G 系統具有更高的性能,同時重量相同或更輕,體積更小。

圖 1:大規模連接需要小型基站 BTS 和有源天線系統,所有這些都具有苛刻的功率要求。

從硅到氮化鎵的電源方案

氮化鎵 (GaN) 寬帶隙晶體管已經為 5G 的無線電設計做出了巨大貢獻,但它們也越來越多地被考慮用于供電系統。與硅 MOSFET 相比,氮化鎵卓越的性能可轉化為更高的效率,從而可減少散熱,實現更小、更緊湊的設計,并提高系統魯棒性。由此帶來的更少的電力消耗,以及更少的現場服務和維修需求,電信設備運營商可以因此而受益。

氮化鎵具有與溫度相對無關的 RDS(ON) ,并且幾乎沒有反向恢復電荷 (Qrr),這意味著 GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 適用于功率因數校正 (PFC) 和 DC-DC 轉換器。由于可支持更高的開關頻率,還可以使用更小的無源元件,從而能實現比基于硅的方案更緊湊,且重量更輕的設計。同時可以考慮采用自然空氣對流散熱,而無需采用主動散熱方式。

基于硅 MOSFET (例如 80V OpTIMOS? 5 系列)的電源轉換器是 1kW 48V 至 12V DC-DC ? 磚電源設計的主要部分,系統可提供 97.58% 的峰值效率。通過將此設計轉換為采用 CoolGaN?,的相同1kW LLC 解決方案能夠減少 5% 的熱量,并達到 97.70% 的峰值效率(見圖 2)。在輕負載下,采用 GaN可以實現效率提升。導通損耗是滿負載時損耗的主要來源,因此轉向 GaN 對滿負載電流消耗時的效率影響很小。

圖 2:使用硅 MOSFET 和 CoolGaN? 時,1kW固定頻率 48V 至 12V ? 磚 DC-DC LLC 的效率比較。

如果在3.6kW、385V 至 52V DC-DC LLC 中用 中壓CoolGaN? 替換副邊硅 MOSFET,即使 PFC 已經基于 GaN,也可實現顯著的改進。通過將兩個同步整流器改換為 GaN,散熱量減少了約 15%。盡管兩種器件都表現出相似的 RDS(ON) 值,但在這種功率密度為 160 W/inch3 的設計中,電源的峰值效率達到了 97.83%(圖 3)。除去管理電源和冷卻風扇的影響,峰值效率幾乎達到 98.5%。

圖 3:采用CoolGaN 的 3.6kW DC-DC LLC 與硅 MOSFET 的效率比較。

柵極驅動器和封裝

從硅MOSFET改換到CoolGaN?并不是簡單的器件更換。 CoolGaN? 需要不同的柵極驅動電路,可以使用 RC 耦合電路來實現。然而,這可能會受到不同柵極占空比的影響,并且在某些情況下會缺乏負驅動。英飛凌科技的 EiceDRIVER? 系列門極驅動器可專用于配合 GaN HEMT,能夠提供維持“導通”狀態所需的連續柵極電流,以及與占空比無關的“關斷”電壓。

電源外殼和散熱等方面的創新可以以減輕設備重量并提供多種安裝方法,例如可以安裝在街道照明燈中,達到更美觀的效果。 CoolGaN? 能夠支持這些,主要歸功于其低電感、薄型 PG-VSON 表面貼裝封裝(見圖 4)。由于尺寸僅為 5 × 3 × 1.075mm,不僅能夠使窄型、薄型和機架安裝設計中采用被動散熱方法,還有助于保持較短的PCB布線和較低的寄生電感。

圖 4:PG-VSON 表面貼裝封裝具有低電感泄漏,非常適合高頻開關 CoolGaN 應用。

[來源:https://www.infineon.com/cms/en/product/packages/PG-VSON/PG-VSON-6-3/]

GaN在 5G中的應用更為廣泛

考慮到GaN在高頻應用下具備出眾的性能,這種技術已經用于 5G 射頻收發器。但是,由于場地租用成本和物理空間限制給設備體積和重量帶來的壓力,GaN也將用于基站電源等設計。英飛凌的 CoolGaN? HEMT 晶體管產品能夠與 EiceDRIVER? 匹配使用,可確保滿足5G 設備的設計要求,同時提高效率和可靠性。

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