在高頻降壓轉換器的氮化鎵場(chǎng)效應晶體管（eGaN FET）

我們會(huì )探討在高頻降壓轉換器使用最優(yōu)版圖并在1 MHz頻率開(kāi)關(guān)時(shí)可實(shí)現高于96%效率。

降壓轉換器縱然具備最優(yōu)電路版圖，如果沒(méi)有把電源器件的反向傳導降至最低，不必要的功率損耗仍然可以發(fā)生。這種體二極管的反向傳導在上方器件與下方器件傳導時(shí)的死區時(shí)間內出現，我們將闡釋這個(gè)影響效率的原因及提供可簡(jiǎn)單地把損壞降至最低的方法。

死區時(shí)間所帶來(lái)的影響

在降壓轉換器當上方及下方器件同時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)(死區時(shí)間)，能源將從輸出電感器以反方向流過(guò)下方的氮化鎵場(chǎng)效應晶體管。從圖1降壓轉換器的典型開(kāi)關(guān)波形圖可以看到體二極管在死區時(shí)間的反向導通時(shí)段。在這個(gè)周期內，體二極管的正向壓降將引致功率損耗，并以此程式代表：

其中ID是二極管電流、VF是體二極管正向壓降及tD是每段開(kāi)關(guān)時(shí)間TSW的二極管總傳導時(shí)間(兩側)。當開(kāi)關(guān)頻率上升，死區時(shí)間的開(kāi)關(guān)損耗的影響將更形重要，尤其是在大電流、低輸出電壓的應用中，因為更高損耗及更低輸出功率級增大了死區時(shí)間內二極管傳導損耗對效率的影響。

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圖1：降壓轉換器開(kāi)關(guān)波形圖展示死區時(shí)間的二極管傳導

對于降壓轉換器來(lái)說(shuō)，死區時(shí)間并不自然而然地相等于二極管的傳導損耗。在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的后緣，如果死區時(shí)間足夠，負載電流將從開(kāi)關(guān)節點(diǎn)自換向至接地，這將允許底部器件實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)而開(kāi)啟，從而減少開(kāi)關(guān)損耗。自換向的速度要看負載電流及它對死區時(shí)間的影響(見(jiàn)圖2)。長(cháng)死區時(shí)間在小電流時(shí)將允許自換向，因此提高輕負載效率，但在重負載時(shí)將增加二極管傳導及損耗。相反地，短死區時(shí)間將把滿(mǎn)負載效率提升至最高點(diǎn)，但因輕負載具零電壓開(kāi)關(guān)損耗從而增加開(kāi)關(guān)損耗。對于前緣來(lái)說(shuō)，很少依賴(lài)負載電流，而把死區時(shí)間減至最短可把二極管傳導降至最少。

圖2：負載電流對下降緣二極管傳導的影響與恒常死區時(shí)間比較。紅圈部分代表場(chǎng)效應晶體管體二極管在傳導時(shí)的區域

加入肖特基二極管

圖3展示了一個(gè)工作在1 MHz頻率、12 V轉1.2 V的降壓轉換器，只要在每個(gè)死區時(shí)間距離增加5 ns(每周期的二極管總傳導的10 ns)，與優(yōu)化后的死區時(shí)間相比(沒(méi)有二極管傳導)，可以降低轉換器效率超過(guò)一個(gè)百份點(diǎn)。在這低壓下，加入一個(gè)肖特基二極管可有效地減低氮化鎵場(chǎng)效應晶體管(eGaN FET)的二極管損耗。這是因為氮化鎵場(chǎng)效應晶體管具備三個(gè)重要特性：

1。沒(méi)有反向恢復損耗，就算部分電流換向至肖特基二極管也可減少有效的二極管壓降及減少損耗。

2。氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的較高二極管正向電壓使它的二極管電壓與肖特基二極管的電壓之間的差別更大，從而加快電流換向速度。

3。具備低封裝電感而配以具低電感的肖特基二極管，將把電流換向環(huán)路電感降至最低，也加快電流換向的速度。

從圖3測量出的效率可看到如果使用正確的尺寸，增加一個(gè)肖特基二極管可去除潛在的二極管傳導損耗達70%。就算尺寸過(guò)小，電流仍然可以換向至肖特基二極管及提升效率。

圖3：在降壓轉換器效率方面，1 A肖特基二極管對死區時(shí)間損耗的影響

(VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=150 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG).

把死區時(shí)間縮至最短

如果加入肖特基二極管可改善降壓轉換器的效率，把死區時(shí)間傳導降至最少可更有效。最理想是采用自適應式死區時(shí)間方法來(lái)控制依賴(lài)負載電流的死區時(shí)間，但只可以在非常高頻、低壓應用中可實(shí)現這個(gè)要求速度及復雜度的方法。一般來(lái)說(shuō)，比較簡(jiǎn)單的方法是在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的上升緣及下降緣選擇恒定的死區時(shí)間(如圖2(b)所示)。這個(gè)簡(jiǎn)易方法提供與自適應方法一樣的重負載效率，但在大約15%額定負載以下會(huì )降低效率。宜普公司的開(kāi)發(fā)板配備簡(jiǎn)單的恒定死區時(shí)間電路，使用邏輯及RCD延時(shí)snubbers(如圖4所示)。實(shí)現這個(gè)死區時(shí)間也無(wú)需高側驅動(dòng)器調節。

圖4：基于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管、采用恒定死區時(shí)間的簡(jiǎn)單電路圖

實(shí)驗性研究結果

宜普公司為實(shí)現恒定死區時(shí)間控制及最優(yōu)版圖，構建了演示板EPC9107，給28 V轉3.3 V降壓轉換器并工在1 MHz頻率及具15 A最高輸出電流。我們構建該轉換器版圖與功率模塊差不多，在1/4 立方英寸的尺寸內包含全功率級。 圖5展示開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形圖，并展示在28 V輸出電壓、只有10%的過(guò)沖時(shí)在一納秒范圍內的開(kāi)關(guān)速度。前緣死區時(shí)間減至最短至差不多接近零時(shí)把約10 A負載的后緣死區時(shí)間也減至最短。這是把輕負載效率的影響減至1 A以下之同時(shí)在滿(mǎn)負載時(shí)增加二極管傳導時(shí)間約4納秒。 圖6展示這個(gè)降壓轉換器的效率，并與具相同規格、基于MOSFET器件的零電壓開(kāi)關(guān)功率模塊進(jìn)行比較。雖然零電壓開(kāi)關(guān)可提高效率及工作在2/3開(kāi)關(guān)頻率，基于MOSFET的轉換器仍然比基于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的硬開(kāi)關(guān)降壓轉換器的效率低出1.5 %至3%。

圖5：使用氮化鎵場(chǎng)效應晶體管、28 V轉3.3 V、15 A、工作于1 MHz頻率的降壓轉換器的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形圖

圖6：基于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的硬開(kāi)關(guān)降壓轉換器與基于MOSFET器件軟開(kāi)關(guān)降壓轉換器的效率的比較

結論

本章討論了死區時(shí)間對高頻降壓轉換器的影響及如何緩和影響的方法。我們實(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，使用恒定死區時(shí)間，工作在1 MHz頻率的基于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管的降壓轉換器與基于MOSFET器件的軟開(kāi)關(guān)降壓轉換器相比，前者工作在接近相同的開(kāi)關(guān)頻率下可大大改善效率。

eGaN是宜普電源轉換公司的注冊商標。