采用eGaN FET的非隔離降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

使用硅MOSFET設(shè)計和構(gòu)建具有寬輸入電壓范圍和標(biāo)準(zhǔn)5 V輸出的高輸出電流的隔離式降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，但性能有限，特別是在低負(fù)載和高輸入時電壓。更重要的是，隨著硅的成熟，如果輸入電壓很高，在輕負(fù)載時從寬輸入降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中擠出更多汁液可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。與硅MOSFET不同，基于增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN）的FET有望在相同的輸入和輸出參數(shù)組中在寬負(fù)載變化范圍內(nèi)提供更好的性能。事實(shí)上，由于這些寬帶隙器件的工作速度更快，擊穿電壓更高，導(dǎo)通電阻更低，因此可以在各種負(fù)載變化范圍內(nèi)提供更高的效率，同時最大限度地減少空間和成本。

由于eGaN FET是建立在硅襯底上的，因此成本差異正在縮小，商業(yè)增長正在改善。例如，高效電源轉(zhuǎn)換（EPC）在過去四年中一直在硅基eGaN FET上提供氮化鎵，并繼續(xù)擴(kuò)展其產(chǎn)品組合。此外，為了幫助設(shè)計人員從硅轉(zhuǎn)換為eGaN FET，該公司已經(jīng)構(gòu)建了許多評估板，可以在特定的降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計中比較硅MOSFET與eGaN FET的性能（參見TechZone文章?！伴_發(fā)板使評估eGaN FET簡單“）。此外，EPC已經(jīng)構(gòu)建了許多演示板，在特定的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中使用這些寬帶隙器件提供完整的參考設(shè)計。

例如，在本文中，我們將研究一個廣泛的輸入， 20采用EPC的eGaN FET（如EPC2001和EPC2021）在寬負(fù)載變化范圍內(nèi)設(shè)計的非隔離降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。此設(shè)計中使用的降壓控制器是凌力爾特公司的LTC3891，它集成了驅(qū)動器并采用恒定頻率電流模式架構(gòu)。該DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器專為電信，工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的分布式電源解決方案而設(shè)計。

寬輸入，高電流降壓

在研究寬輸入，大電流隔離降壓轉(zhuǎn)換器之前使用GaN晶體管設(shè)計，讓我們首先看一下這個設(shè)計中結(jié)合的eGaN FET EPC2001和EPC2021的特性和特性。該公司數(shù)據(jù)表顯示EPC2001是一款100 V器件，RDS（on）為7mΩ，漏極電流（ID）為25 A. EPC2021是一款80 V eGaN晶體管，RDS（on）為2.5mΩ，漏極電流（ID）為60 A.脈沖ID的額定值為420 A.由于導(dǎo)通電阻較低，GaN晶體管的導(dǎo)通損耗要低得多。同時，由于它們設(shè)計用于更高的開關(guān)頻率，因此這些GaN FET的開關(guān)損耗也低得多。此外，為了最大限度地降低封裝電感，eGaN FET采用帶焊條的鈍化芯片形式。這些eGaN FET還克服了硅MOSFET的最小導(dǎo)通時間問題，從而實(shí)現(xiàn)了具有寬輸入電壓范圍的高效，緊湊的高降壓比同步降壓轉(zhuǎn)換器。

利用eGaN FET的屬性，EPC已經(jīng)準(zhǔn)備好一塊開發(fā)板，標(biāo)記為EPC9118，以簡化構(gòu)建具有30至60 VDC輸入電壓范圍和5.0 V固定直流輸出的非隔離20 A降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的任務(wù)。它包括一個完整的功率級，包括eGaN FET EPC2001和EPC2021，驅(qū)動器，電感器和輸入/輸出電容器（圖1）。如圖所示，控制器LTC3891集成了GaN FET驅(qū)動器。由于GaN晶體管能夠在高頻下進(jìn)行開關(guān)，因此本設(shè)計中的降壓轉(zhuǎn)換器在400 kHz時切換。

圖1：功率級包括eGaN FET，驅(qū)動器，電感器和輸入/輸出電容器。

根據(jù)演示板的快速入門指南，EPC9118是一塊2.5英寸方形板，包含一個帶有優(yōu)化控制回路的全閉環(huán)降壓轉(zhuǎn)換器?；趫D1所示的功率級，圖2中描繪了具有5 VDC輸出的寬輸入20 A非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的完整原理圖。該完整電路在該演示板上組裝，具有適當(dāng)?shù)牟季忠宰畲笙薅鹊販p少損耗和EMI。由于演示板包括閉環(huán)控制器，因此效率測量必須包括由控制器引起的損耗。演示板指南提供了測量此降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器效率的步驟。

圖2：寬幅的完整原理圖 - 輸入非隔離降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出電壓為5 VDC，電流為20 A.

本指南介紹了在400 kHz開關(guān)頻率下工作的寬輸入降壓轉(zhuǎn)換器的測量效率性能如圖3所示。它表明這款緊湊型電路板可提供超過93％的滿載功率效率，同時在5 VDC輸出和36 VDC輸入下提供20 A電流。輸出負(fù)載電流從5A變?yōu)?0 A，36 VDC輸入時轉(zhuǎn)換效率保持在93％以上。只有當(dāng)負(fù)載電流降至2.5 A以下時，它才開始急劇下降。同樣，當(dāng)輸入電壓較高時，例如48 VDC且輸出電壓相同，則效率會下降一個點(diǎn)左右。例如，對于48 VDC輸入和5 VDC輸出，如圖3所示的測量效率超過92％。當(dāng)負(fù)載電流為5A且輸入和輸出電壓參數(shù)與之前相同時，此效率略低于92％。當(dāng)負(fù)載電流開始降至2.5 A以下時，效率開始急劇下降。但是，即使負(fù)載電流僅為1 A，它仍可提供約80％的效率性能。圖3中還說明了56 VDC輸入的類似性能。

圖3：采用eGaN FET的寬輸入20 A降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型測量效率曲線。

總之，開發(fā)板EPC9118演示高效率，寬輸入20 A降壓轉(zhuǎn)換器可以使用高頻開關(guān)eGaN FET輕松設(shè)計和制造。采用這些寬帶隙晶體管構(gòu)建的電源電路在5 VDC輸出的滿載20 A時可實(shí)現(xiàn)93％以上的轉(zhuǎn)換效率，寬輸入直流電壓范圍為30 V至60 V.效率仍然很高，即使負(fù)載降至5A以下。