为什么 GaN 对5G 基础设施至关重要？

作者：英飞凌科技高级首席应用工程师Giuseppe Bernacchia，英飞凌科技应用工程总监Moshe Domb 

在全世界都在对 5G 的技术进步感到无比兴奋的同时，设计人员现在正忙于如何为基站提供电力供应而努力。5G 未来成功的核心是其能否实现三大期望目标：巨大的数据吞吐量、超低延迟和大规模连接（见图 1）。4G 基站能够提供强大的下行链路，但上行链路则有待提高。相比之下，仅 5G 基站在上行链路能力方面的改进就需要更多功率，再加上每个需要基站支持的更高数据吞吐量和更多用户数量，只会进一步增大设计工程师面临的挑战。最重要的是，在相关基础设施的布置方面也存在一些实际问题。

图 1：5G 的目标是要支持巨大的数据吞吐量、超低延迟和巨大数量连接。

许多基站都是安装在特意租用的物业内部或物业上方，在占位面积、设备体积和允许安装重量方面有严格限制，行业在向 5G 的转变过程中电信设备同样也需要面对这些限制。此外，还需要覆盖亚GHz 和毫米波频谱的额外微型基站收发器 (BTS) 和有源天线系统 (AAS)，以提供大规模连接的覆盖范围和容量（见图 2），这需要租用新的站点。但这些新站点同样也存在严格的重量和体积限制，并且还可能有可用功率的上限。未来预计还会出现壁挂式和杆式安装的趋势，并且会与街道照明等现有公用设施的整合，这与投资成本和预算直接相关。所选站点的租金对整体运营费用（OPEX）有重大影响，会占支出的三分之一以上。如果能够设计体积更小、重量更轻、更加节能的基站，则能够实现更便宜的租赁成本和更低的电费，那么则可以把更多的资本支出 (CAPEX)用于重要的无线电和电源设备。

图 2：大规模连接需要小型基站 BTS 和有源天线系统，所有这些都具有苛刻的功率要求。

有研究表明，在成熟市场中，能源成本占基础设施运行成本（ OPEX） 的 10% 到 15%。而在发展中市场，尤其是那些远离电网、依靠电池供电站点比例较高的市场，这一比例会上升到近 50%。所提供的能量中，只有 15% 用于基站和手机之间的数据传输，35% 用于冗余系统，而 15% 则是电源和风扇耗费。与站点维护相关的人员成本是运行成本的第二大部分，中国移动认为70% 的停机案例与供电问题相关，因此需要重点关注系统的鲁棒性和可靠性。

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虽然多年来硅功率器件的性能在逐步提高，但氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 技术的出现立即为功率转换器设计人员提供了巨大改进空间，并可应用于其产品设计。

GaN 高电子迁移率 (HEMT) 晶体管提供极低的且与温度无关的 R_DS(ON)。再加上存储在输出电容 (E_OSS) 中的较低能量、低漏源 (Q_OSS) 和栅极电荷 (Qg) 以及几乎为零的反向恢复电荷 (Qrr)，相对于硅器件而言，GaN在品质因数 (FoM) 方面有显著改进。与硅 MOSFET 和 IGBT相比，GaN 还可以在更高开关频率下运行，它不仅可以提高功率因数校正 (PFC) 和 DC-DC 转换器的效率，还可以使用更小的无源器件。这对电源转换器的重量和体积都有重大影响，这种改进可以转化为更高的功率密度和更小的体积，或者将现有设计转换为更平坦或无风扇的运行。

这里将两种常见的功率转换器设计改换为宽带隙器件，以评估英飞凌 CoolGaN技术相对于现有硅功率器件所能提供的实际改进。 48V 至 12V DC-DC ¼ 砖是电信行业的主要产品，通常使用 80V 硅 MOSFET进行设计，包括OptiMOS 5 系列。

采用OptiMOS 5 系列实现 1kW 固定频率 LLC 时，测得的峰值效率为 97.58 %。虽然此类器件的导通电阻在指定 I_D 范围内保持相对稳定，但这需要 10V 的栅极驱动 (V_GS) 才能实现。而且，虽然输出电容 (E_OSS) 与前几代相比有所降低，但其进一步改进受到硅器件的物理特性限制。

我们把设计改换为 CoolGaN，并进行其他修改以适应这些晶体管，例如替换栅极驱动器方式，相同的 1kW LLC 设计实现了 97.70% 的峰值效率（见图 3）。虽然这种绝对峰值效率的提高看起来很小，但不能忘记这意味着热量的产生减少了 5%。此外，供电范围的低负载端具有最大的改进，这有助于电信行业在 30% 到 100% 负载范围内实现所期望的稳定性和高效率。

图 3：使用硅 MOSFET 和 CoolGaN 时，1 kW 固定频率 48V 至 12V ¼ 砖 DC-DC LLC 的效率比较。

与硅 MOSFET 相比，在这种隔离式 DC-DC 设计中应用 CoolGaN需要一种不同的栅极驱动方法（见图 4）。通常情况下会使用 RC 耦合电路，但这可能会在特定情况下缺乏负压驱动。此外，开关动态可能受限于所驱动信号的占空比。一种专门用于 GaN HEMT 的 EiceDRIVER系列可确保实现最佳控制，它们能够提供维持“导通”状态所需的几毫安的连续栅极电流。由于快速开关瞬态和固有的低阈值电压，它们还可以提供与占空比无关的负“关断”电压。

图 4：用于比较 CoolGaN相对于硅 MOSFET 效率改进的固定频率 1 kW DC-DC LLC。

以同样的方式设计一个3.6kW、385V 至 52V DC-DC LLC，如果将硅 MOSFET改换到 CoolGaN ，可实现更高的效率提升。尽管使用的硅 MOSFET 和 GaN 晶体管呈现出相似的 R_DS(ON) 值，但 CoolGaN™ 在此功率密度为 160W/inch³ 的设计中具有 97.83% 的峰值效率（见图 5），与基于硅的设计相比，会降低约 15%的热损耗。

图 5：在 3.6 kW DC-DC LLC 中的CoolGaN与硅 MOSFET 效率比较。

基于 CoolGaN 的高能效图腾柱 PFC，效率的进一步提高主要是由于在副边同步整流器的两个全桥中添加了中压 CoolGaN，能够提供最佳的负载分配（见图 6）。如果去除冷却风扇和内部管理电源的影响，基于 GaN 的设计能够实现近 98.5% 的峰值效率。

图 6：3.6 kW DC-DC LLC 全桥到全桥设计，在初级侧串联两个变压器，在次级侧并联，用于在次级侧强制负载共享。

当然，在应用层面提供的不仅仅是半导体技术的创新。具有低电感泄漏的微型表面贴装封装能够使设计更加简化，尤其是在高开关频率下。 PG-VSON 尺寸仅为 5 × 3 × 1.075 mm，有助于保持较短的PCB布线，同时其构造方式适合采用被动散热和薄型或窄型机架或壁挂式安装解决方案（见图 7）。

图 7：PG-VSON 表面贴装封装具有低电感泄漏，非常适合高频开关 CoolGaN 应用。

虽然 GaN 通常被认为是实现 5G 射频收发器的重要组成部分，但很明显，它的作用远不止于此。将现有 4G BTS 硬件更换为支持 5G ，以及为 AAS 和小基站 BTS 采购和租用新站点的现实要求意味着需要把尺寸、体积和重量等因素与系统功能综合考虑。英飞凌的 CoolGaN HEMT 晶体管产品组合与EiceDRIVER™ 驱动器产品组合使用，可确保在所需负载范围内提高电源转换器效率。通过创新的散热和构造方式能够减小系统的重量和体积，同时确保了系统鲁棒性和可靠性，将维护和停机时间降至最低。