基于電流非隔離降壓轉換器設計使用的eGaN FETs

設計和建造隔離，降壓DC/DC轉換器在可實(shí)現標準的5伏輸出使用硅MOSFET但具有有限的性能寬輸入電壓范圍和高輸出電流，特別是在低負荷和高輸入電壓。更重要的是，硅成熟，從寬輸入降壓型DC / DC轉換器擠出更多的果汁在輕負載時(shí)可以是具有挑戰性的，如果輸入電壓較高。不像硅MOSFET，增強型氮化鎵(的eGaN)為基礎的FET承諾過(guò)的同組的輸入和輸出參數的寬負荷變化提供更好的性能。事實(shí)上，由于這些寬禁帶裝置在高得多的速度與更高的擊穿電壓下工作和較低的導通電阻，它們可以在寬范圍的負載變化的遞送高得多的效率，同時(shí)減少了空間和成本。

由于場(chǎng)效應管的eGaN是建立在硅襯底上，成本差異正在縮小和商業(yè)斜坡上升正在改善。高效的電力轉換公司(EPC)，例如，一直提供氮化鎵上硅為基礎的eGaN FET的在過(guò)去的四年中，并繼續擴大其產(chǎn)品組合。此外，為幫助設計師從轉型到硅場(chǎng)效應管的eGaN，公司已建成許多比較硅MOSFET與場(chǎng)效應晶體管的eGaN特定降壓轉換器設計的性能評估板(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章。“開(kāi)發(fā)板做評估的eGaN FET的簡(jiǎn)單“)。此外，EPC已經(jīng)建立了許多演示板提供使用在特定的DC / DC轉換器電路，這些寬禁帶設備提供完整的參考設計。

例如，在本文中，我們將使用EPC的場(chǎng)效應晶體管的eGaN，如EPC2001和EPC2021，在寬負載變化調查一個(gè)寬輸入，20 A非隔離降壓型DC / DC轉換器設計。本設計中使用的降壓控制器是凌力爾特的LTC3891，它集成了驅動(dòng)器和采用恒定頻率電流模式架構。這個(gè)DC / DC降壓轉換器設計用于分布式電源解決方案在電信，工業(yè)和醫療應用。

寬輸入，高電流降壓

在調查的寬輸入，使用氮化鎵晶體管高電流隔離降壓轉換器的設計，讓我們先來(lái)看看在這個(gè)設計中采用了性能和場(chǎng)效應管的eGaN和EPC2001功能EPC2021。該公司數據顯示，EPC2001是一個(gè)100 V器件具有RDS的7毫歐(上)和25的漏電流(ID)功能。 EPC2021是一個(gè)80伏的eGaN晶體管具有RDS 2.5毫歐的(上)和60的漏電流(ID)功能。脈沖的ID的額定功率為420 A.由于該導通電阻低時(shí)，氮化鎵晶體管提供低得多的傳導損耗。同時(shí)，因為它們是設計用于更高的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)損耗，這些氮化鎵FET是也低得多。此外，為了最大限度地降低封裝電感，場(chǎng)效應管的eGaN進(jìn)來(lái)焊錫條鈍化裸片形式。這些場(chǎng)效應管的eGaN也克服了最小導通時(shí)間硅MOSFET的問(wèn)題，使非常高效和緊湊的高降壓比同步降壓轉換器具有寬輸入電壓范圍。

開(kāi)發(fā)的eGaN FET的屬性，EPC已經(jīng)準備好一塊開(kāi)發(fā)板，標EPC9118簡(jiǎn)化構建非隔離20 A降壓型DC / DC轉換器，3060 VDC輸入電壓范圍和5.0 V固定直流輸出的任務(wù)。它包括一個(gè)完整的功率級，其中包括的eGaN場(chǎng)效應晶體管EPC2001和EPC2021，驅動(dòng)器，電感器，和輸入/輸出電容器(圖1)。如圖所示，控制器LTC3891包含在GaN FET驅動(dòng)器。由于氮化鎵晶體管能夠在高頻率切換，在該設計中，降壓轉換器被轉換為400千赫。

總承包公司的eGaN FET的形象和EPC2001 EPC2021

圖1：該功率級包括的eGaN場(chǎng)效應晶體管，驅動(dòng)器，電感器，和輸入/輸出電容器。

根據演示板的快速入門(mén)指南，EPC9118是一款2.5英寸的方形板，包含一個(gè)全閉環(huán)降壓轉換器優(yōu)化控制回路?；趫D1中所示的功率級，該寬輸入20所述的非隔離降壓轉換器5 VDC輸出的完整示意圖在圖2中描繪這個(gè)完整的電路組裝在此演示板用適當的布局，以盡量減少損失和EMI。由于演示板包括一個(gè)閉環(huán)控制器，效率測量必須包括由于控制器損失。該演示板的指南提供了衡量這種降壓型DC / DC轉換器的效率的過(guò)程。

總承包的EPC9118降壓型DC / DC轉換器的圖像

圖2：寬輸入非隔離降壓型DC / DC轉換器的5伏輸出電壓的完整示意為20 A.

這個(gè)指南給出在400千赫開(kāi)關(guān)頻率操作的寬輸入降壓轉換器，它被示于圖3的測量效率性能這表明此緊湊的電路板可以提供超過(guò)93%的滿(mǎn)負載功率效率，同時(shí)提供20 a在5 VDC輸出36 VDC輸入。與輸出負載電流變化從5到20A，轉換效率仍然超過(guò)93%的有36 VDC輸入。它開(kāi)始急劇下降，只有當負載電流降到低于2.5 A.類(lèi)似地，當輸入電壓較高時(shí)，如48伏直流同為5伏直流電輸出，效率下降由點(diǎn)左右。例如，與48伏直流輸入和5伏直流電輸出，在圖3所示的測量效率是92%以上。這種效率下降略低于92%，當負載電流為5A和輸入和輸出電壓參數和以前一樣。當負載電流開(kāi)始下降到低于2.5 A，效率開(kāi)始大幅回落。然而，它仍然提供了大約80%的效率的性能，即使當負載電流僅為1 A.類(lèi)似性能為56伏直流輸入也示于圖3。

典型的測量效率曲線(xiàn)圖片

圖3：典型的測量效率曲線(xiàn)的寬輸入20 A降壓DC / DC轉換器使用的eGaN FET的。

綜上所述，開(kāi)發(fā)板EPC9118表明，高效率，寬輸入20 A降壓轉換器可以很容易地設計和使用高頻開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應管的eGaN建成。內置有這些寬帶隙晶體管的電源電路可實(shí)現超過(guò)93%的滿(mǎn)負荷的20所述的在5伏直流輸出為30 V至60 V寬輸入直流電壓范圍轉換效率的效率仍然很高，即使作為負荷下降到低于5 A.