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

隨著 5G 的推出，下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)有望提供三種非常重要的功能，進(jìn)而改變我們應(yīng)用無線技術(shù)的方式。它們包括大規(guī)模連接能力、巨大數(shù)據(jù)吞吐量和超低延遲，使許多應(yīng)用場景最終可以不再使用有線網(wǎng)絡(luò)。在企業(yè)和消費者等待

5G技術(shù)普及并從中受益的同時，網(wǎng)絡(luò)運營商必須仔細(xì)評估如何安裝所需的硬件。

今天的5G設(shè)備通常使用租用的站點和物業(yè)，對所占建筑面積、設(shè)備體積和允許重量有嚴(yán)格的限制。此外，與 4G 相比，5G 使用了一些額外設(shè)備，例如有源天線系統(tǒng) （AAS） 和微型基站收發(fā)器 （BTS），以實現(xiàn)大規(guī)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(shè)備。由于租賃成本約占運營費用 （OPEX） 支出的三分之一， 5G 系統(tǒng)需要比之前的 4G 系統(tǒng)具有更高的性能，同時重量相同或更輕，體積更小。

圖 1：大規(guī)模連接需要小型基站 BTS 和有源天線系統(tǒng)，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(jīng)為 5G 的無線電設(shè)計做出了巨大貢獻(xiàn)，但它們也越來越多地被考慮用于供電系統(tǒng)。與硅 MOSFET 相比，氮化鎵卓越的性能可轉(zhuǎn)化為更高的效率，從而可減少散熱，實現(xiàn)更小、更緊湊的設(shè)計，并提高系統(tǒng)魯棒性。由此帶來的更少的電力消耗，以及更少的現(xiàn)場服務(wù)和維修需求，電信設(shè)備運營商可以因此而受益。

氮化鎵具有與溫度相對無關(guān)的 RDS（ON） ，并且?guī)缀鯖]有反向恢復(fù)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(shù)校正 （PFC） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。由于可支持更高的開關(guān)頻率，還可以使用更小的無源元件，從而能實現(xiàn)比基于硅的方案更緊湊，且重量更輕的設(shè)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(zhuǎn)換器是 1kW 48V 至 12V DC-DC ? 磚電源設(shè)計的主要部分，系統(tǒng)可提供 97.58% 的峰值效率。通過將此設(shè)計轉(zhuǎn)換為采用 CoolGaN?，的相同1kW LLC 解決方案能夠減少 5% 的熱量，并達(dá)到 97.70% 的峰值效率（見圖 2）。在輕負(fù)載下，采用 GaN可以實現(xiàn)效率提升。導(dǎo)通損耗是滿負(fù)載時損耗的主要來源，因此轉(zhuǎn)向 GaN 對滿負(fù)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(jīng)基于 GaN，也可實現(xiàn)顯著的改進(jìn)。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(xiàn)出相似的 RDS（ON） 值，但在這種功率密度為 160 W/inch3 的設(shè)計中，電源的峰值效率達(dá)到了 97.83%（圖 3）。除去管理電源和冷卻風(fēng)扇的影響，峰值效率幾乎達(dá)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(qū)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(qū)動電路，可以使用 RC 耦合電路來實現(xiàn)。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(fù)驅(qū)動。英飛凌科技的 EiceDRIVER? 系列門極驅(qū)動器可專用于配合 GaN HEMT，能夠提供維持“導(dǎo)通”狀態(tài)所需的連續(xù)柵極電流，以及與占空比無關(guān)的“關(guān)斷”電壓。

電源外殼和散熱等方面的創(chuàng)新可以以減輕設(shè)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(dá)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(jī)架安裝設(shè)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(guān) CoolGaN 應(yīng)用。

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

GaN在 5G中的應(yīng)用更為廣泛

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