在消费电子产品和汽车电气化方面，我们现在都处于“更多”的循环中。对于消费者而言，越来越多的视频，图片，Insta-this，Snap-这些都是推动数据增长的需求。在汽车中，每个模型周期都增加了更多功能，包括娱乐外设，安全功能，混合运动扭矩以及更多且更亮的LED。提供“更多”需要传递更多的功率。通常，更大的功率受到尺寸和/或重量限制的约束。这就是为什么越来越多的行业正在转向高压，48V配电而不是传统的12V配电的原因。
为什么是48V？在电缆，连接器和/或PCB受限的情况下，系统中的I2R传导损耗可能会损害系统效率，并会有效地降低流向负载的功率。例如，服务器处理器的功率已从100W-200W增加到400W甚至更高。除非通过更高的电压分配或更大的铜汇流条来缓解，否则将这种增加的功率分配给多个服务器处理器会产生更多的损失。传统的数据中心/服务器电源架构如图1（a）所示，其中所有主要的处理器/存储设备均由12V总线供电。12V总线的I2R损耗过大，并且存在许多能量转换阶段，从而降低了整体系统效率。为了减轻严重的母线损耗并减少配电路径中的能量转换阶段，图1（b）显示了48V总线数据中心/服务器架构。通过消除在线UPS，电缆和线束，该电源体系结构相对于当前的设计实践具有优势。趋势清楚地表明，电源转换受益于48V总线，具有更高的节能性和更低的支出（CAPEX和OPEX）。
a）具有12V总线的常规电源架构
b）具有48V总线的备用电源架构
图1：数据中心/服务器从12V到48V的架构演变
以“在更少的区域中获得更多的功率”为常态，使用高频功率晶体管将功率从12V分配到48V，可使工程师满足其效率，成本和尺寸/重量指标。
GaN Systems 100V产品线是满足高频，高效率和高功率密度功率转换要求的48V应用的可靠解决方案。与MOSFET相比，GaN晶体管具有较宽的带隙，高电子迁移率和高电子速度，从而可以将系统开关频率提高到高kHz和MHz频率，以保持高效率并提高功率密度[1]-[4] 。
为了优化系统，需要对传导和开关损耗有深入的了解[5]。通常在数据表以及半导体公司提供的PLECS / Python仿真模型中找到有关较高电压器件（例如650V晶体管）的信息。但是，对于100V器件，由于难以进行精确测量，因此通常不会发布Eon / Eoff数据。本文介绍了超低寄生Eon / Eoff测量平台。利用该测试平台，已经获得了100V GaN Systems器件的准确Eon / Eoff数据。
GaN Systems为650V和100V产品提供了基于PLECS，Python和Excel的开关损耗模型。GaN Systems 100V GaN产品，评估板，模块和新的PLECS仿真模型集为开始新的系统设计提供了全面的场所。
用于100V GaN器件的精确开关能量测量平台
在比较具有不同半导体材料的晶体管或分析特定制造商的趋势时，使用标准品质因数（FOM）是有用的工具。例如，要比较650V GaN Systems晶体管与超级结MOSFET的RDS（on）* QG FOM，FOM的差异要多于10倍，这直接影响了系统损耗。与650V器件不同，来自不同供应商的GaN晶体管与硅MOSFET相比，FOM的差异并不大。下面的数据说明，需要使用精确的器件损耗模型来进一步了解和测量器件损耗，才能确定低压应用中晶体管的实际系统性能。
为了在开关转换过程中测量开关电流，必须将一个高带宽电流分流器与被测器件（DUT）串联连接。与100V器件的额定电压相比，大电流分流器引入的寄生电感会导致严重的电压过冲。这导致测得的开关能量数据远高于实际应用中的值（没有用于测量的电流分流器）。结果，功率半导体供应商很少发布100V及以下器件的开关能量数据。
GaN Systems设计了一个超小型寄生双脉冲测试（DPT）平台，如图2所示。功率转换环路的寄生电感从10nH以上降至0.8nH，包括大电流分流器（型号#SSDN） -005）。当两个相邻的导体以相反的电流方向彼此靠近时，由两个电流方向产生的磁通量将相互抵消，从而减小了寄生电感。
图2：用于100V半导体器件的超小型寄生DPT平台
DPT板的两个相邻的通量抵消层之间的距离为62μm。根据ANSYS Q3D软件，模拟的电源换向环路电感为0.8 nH。
GaN Systems的DPT平台与另一家供应商的GaN晶体管评估板（无分流器）的比较如图3所示。在相同的测试条件下（Vds = 50V，Id = 10A，GaN器件：GS61008T，Rg_on =4.7Ω，Rg_off =1Ω），则GaN Systems设计上DPT板上的漏源电压尖峰低于其他设计（68V对80V）。这即使在电路中存在电流分流的情况下，也可以验证GaN Systems测试平台的通量抵消，低寄生设计。如果在其他设计中使用了电流分流器，则振铃会明显高于80V，并且测量Eon / Eoff会非常不准确。
图4：GaN系统（GS61008T）和硅MOSFET之间的Eon / Eoff比较
利用GaN Systems开关能量测量平台，可以获得准确的Eon / Eoff数据。通过测试实现了GaN Systems器件和硅MOSFET之间的开关能量比较。GaN晶体管（GS61008T）和硅MOSFET都具有相似的RDS（on）。图4中的结果表明GaN Systems器件的Eon / Eoff低于硅MOSFET。
也许更有趣的比较是来自不同供应商的100V GaN之间的比较，如图5所示。两种GaN器件的RDS（on）值均相似。但是，GaN Systems器件的Eon / Eoff较低。
功绩图
如上所述，FOM有时用于比较给定设备技术在不同应用中的在线性能。下一节说明如何用100V器件分析得出错误的结论。
在硬开关应用中，两个器件参数对开关损耗有重大影响：1）QGD（米勒电荷）控制电压的上升和下降速度；2）QGS，即从器件阈值电压到栅极平稳电压的栅极源极电荷，控制电流的上升和下降速度。因此，硬开关FOM =（QGD + QGS）* RDS（on）通常用于比较不同器件技术的在线性能。
图5：GaN Systems GaN（GS61008T）与具有类似RDS（on）的其他GaN之间的Eon / Eoff比较
在软开关应用中，输出电荷QOSS直接影响实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）所需的能量。QG（栅极电荷）也是高频软开关应用中的主要开关损耗特性。因此，为了比较影响软开关应用中不同器件技术的在线性能的参数，通常使用FOM =（QOSS + QG）* RDS（on）。
表1：不同半导体器件的FOM比较
表1显示了四种不同半导体器件（三个GaN晶体管和一个硅MOSFET）的FOM比较。
根据FOM比较表，可以观察到：1）GaN器件的FOM比硅MOSFET低（请记住，较低的FOM更好）；2）来自GaN供应商2的产品在GaN器件中的FOM最低。有趣的是，在这种情况下，具有最低FOM的设备在目标应用程序中无法获得最佳性能。从Eon / Eoff分析中回想起，GaN Systems器件的损耗低于其他GaN器件。除了Eon / Eoff损耗外，热性能还有助于整体功能。
热性能和系统级比较
在大多数应用中，FOM和损耗分析很重要，但并不是获得更高效率的完整方法。器件的热性能也是决定系统效率的非常重要的因素。GaN晶体管具有正温度系数RDS（on）特性。同样，开关损耗随着结温的升高而增加。因此，具有良好的FOM但难以管理热性能的设备可能会有更高的损耗，并且效率和/或功率受到限制。
图6：热阻比较
如表1所示，与GaN Systems器件相比，一种GaN器件具有更好的FOM。但是，由于器件采用“芯片级”样式的封装，因此存在一些高功率热挑战。如图6所示，氮化镓系统器件采用低寄生，热增强型封装，与芯片级器件相比，其TJUNCTION降低了约50％。为了证明热量在应用中的重要性，我们对在同一48V至12V评估板上使用的表1中的四种不同半导体器件进行了系统级比较。
图7中的最大电流与开关频率的关系表明，与其他GaN器件和硅MOSFET相比，GaN系统的器件在1MHz的开关频率下具有2.3倍的高输出功率。
图7：最大电流比较与不同开关频率
图8的效率曲线表明：•GaN晶体管的效率比硅MOSFET高得多。•GaN Systems器件具有最高效率；•GaN Systems器件可比其他器件支持更高的功率。
请注意，当特定设备显示出发热迹象开始限制输出功率时，测试便停止了。在这种48V至12V的应用中，数据表明必须考虑FOM，Eon / Eoff和热性能的组合才能确定最佳性能。
图8：不同半导体解决方案的效率比较
结论
GaN功率晶体管的开关频率比传统硅MOSFET高，因此是48V应用挑战的极佳功率半导体候选产品。系统损耗分析对于优化电源系统设计至关重要。为了获得100V GaN器件的准确Eon / Eoff数据，GaN Systems开发了超低寄生双脉冲测试平台。从该测试平台获得的Eon / Eoff数据表明，GaN晶体管的Eon / Eoff低于硅MOSFET和其他GaN功率器件。在48V至12V应用中的系统级比较表明，1）GaN Systems解决方案的效率比其他GaN或硅解决方案高得多，并且2）必须考虑诸如Eon / Eoff损耗分析，封装和热效应等重要因素，以解决以下问题：实现高系统效率。