中兴通讯GaN开关电源方案，助力运营商绿色能源建设

        在全球“双碳”目标驱动下，通信行业正加速向绿色低碳转型。以5G为代表的新一代通信技术赋能千行百业数字化转型，同时其基站数量激增与能耗攀升的矛盾日益凸显——5G基站功耗是4G的2~3倍，运营商网络电费支出占比逐年攀升，降低能耗、提升能源使用效率已成为运营商实现可持续发展的关键。与此同时，用户对网络体验的极致追求与能源成本、碳排放约束形成尖锐对立。基于硅基的开关电源由于硅材料特性的限制正逐渐达到其物理极限，已难以支撑绿色通信网络的可持续发展。在此背景下，结合第三代半导体氮化镓（GaN）的开关电源，凭借“高转换效率”“高功率密度”“绿色”特性，为运营商绿色能源建设提供了创新解决方案，成为行业破局的利器。

行业发展趋势

        在网络能耗激增与节能降耗的双重压力之下，运营商通信基站以“房变柜，柜变杆”的路径演进。整流器的价值不再是单一的AC/DC能量转换部件，更承担了双碳背景下“绿色”可持续发展的使命。从硬开关到软开关，从模拟到数字，以及材料和器件的不断演进，整流器的大规模迭代发展可分为四个阶段：

• 第一阶段：硬开关技术加模拟控制，功率密度低（1.3~6.5W/in3），效率低（88%~90%），质量重（7.8~12kg）。
• 第二阶段：硬开关技术，控制方式从低频模拟控制演进到高频数字控制，功率密度提升到14~32W/in3，效率提升到92%~96%，重量为2.0~3.8kg。
• 第三阶段：软开关技术替代硬开关，全数字高频控制，功率密度提升至32~50.0W/in3，效率提升到96%~98%，重量为1.8~2.0kg。
• 第四阶段：材料技术功率管由Si晶体管逐步转向氮化镓（GaN），磁性器件由分立式到磁集成，效率和功率密度同步得到提升；效率为97%~98%，功率密度为50~70W/in3，重量为1.6~1.8kg。

        现阶段，运营商对超高效模块有迫切需求，中国移动、中国电信已将效率纳入电费计算打分，国际客户如德国O2、WINTRE对98%+超高效整流器的需求持续存在。  

开关电源技术突破

        本世纪以来，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）为代表的第三代半导体材料在智能手机、新能源汽车、机器人等新兴电子科技领域迅速发展。氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体的核心材料，具有高电子迁移率和高饱和电子速度，使其在高频、高功率电子器件中具有巨大优势，目前在消费电子领域已广泛使用，如氮化镓充电器具有体积小、重量轻、充电速度快等优点。尽管氮化镓在消费电子领域已成熟商用，但在通信电源等大功率变换领域还处于发展阶段，主要面临的挑战如下：

• 运行环境较为复杂
   

        一方面，开关电源输入包括市电、油机、光伏等多种能源的电压、频率波动，要求具备宽输入电压范围和动态响应能力；另一方面，异常情况多，例如户外雷击和浪涌、电网异常电压冲击等，传统硅基方案通过关断保护，但GaN硬开关特性易导致误导通和寄生振荡。

• 高精度控制算法适配
   

        GaN支持兆赫兹级开关频率，需要匹配智能化控制算法，如数字信号处理器DSP或自适应PID，以优化动态响应和抗干扰能力，提高电源系统的抗干扰能力和环境适应性，同时解决高频寄生参数对控制精度的影响。

• 系统集成设计
   

        开关电源除了功率器件外，还需要集成控制芯片、电容、电感等多种元器件，要充分发挥出GaN器件本身的特性，就需要与系统中其他部件紧密配合，以达到系统级最优。

高效GaN整流器，开启开关电源节能新篇章

        中兴通讯自主开发了全新一代GaN超高效3kW和4kW整流器ZXEPS R4850H1和R4875H1，产品峰值效率达98%，功率密度高达70.2W/in3，满足低碳绿色发展需求。新一代GaN整流器产品相比传统开关电源有如下优势：

• 节能：电源系统整体效率提升至98%以上，以18kW电源系统为例，效率从96%提升至98%，可节省电费1260kWh/年，2年内即可收回成本。
• 省材：GaN高功率密度特性使电感、电容等无源器件体积减少50%~60%，电源系统整体体积小、重量轻，包装材料用量和运输成本均相应减少。
• 综合性能更优：能耗损失降低50%以上，意味着低温升，降低系统温控设备的能耗，同时小型化、轻量化设计便于城市密集区域灵活部署。

        基于高能效GaN整流技术，中兴通讯推出系列化GaN开关电源方案，构建“发-转-储-用-管”一体化能源体系。方案提供从大型中心机房电源到微站电源、从室内电源到室外电源、从单产品到“端到端能源运营”服务的全场景产品，满足运营商在不同场景下的能源需求（见图1）。

        目前，中兴通讯GaN开关电源方案已在全球多个运营商项目中商用。随着通信技术的不断发展，对绿色能源的需求将更为迫切，中兴通讯将持续深耕GaN开关电源技术，不断优化方案性能，拓展应用场景，携手全球运营商共同推动通信行业绿色低碳转型，为构建可持续发展的绿色未来贡献力量。