eGaN FET與硅功率器件比拼之六：隔離型PoE-PSE轉換器

隔離型磚式轉換器被廣泛應用于電信系統，為網(wǎng)絡(luò )設備供電，這些轉換器可以提供各種標準尺寸及輸入/輸出電壓范圍。它們的模塊性、功率密度、可靠性和多功能性簡(jiǎn)化了隔離式電源應用，并在某種程度上商品化了隔離電源市場(chǎng)。這些轉換器的一個(gè)共同特點(diǎn)是輸入/輸出功率器件的額定電壓都在100V或以下。然而，市場(chǎng)上的隔離型轉換器應用要求具有更高的器件電壓，例如PoE-PSE(以太網(wǎng)供電的供電設備)。這些轉換器更能受益于氮化鎵場(chǎng)效應晶體管(eGaN FET)增高額定電壓所帶來(lái)的優(yōu)勢。本文將構建基于eGaN FET的半磚轉換器，并與類(lèi)似的最先進(jìn)硅MOSFET磚式轉換器進(jìn)行比較。

隔離型PoE-PSE轉換器簡(jiǎn)介

過(guò)去幾年里，以太網(wǎng)供電(PoE)標準已逐漸形成。主要焦點(diǎn)是在新等級和新類(lèi)型的設備里，功率有系統地增加。根據有關(guān)以太網(wǎng)供電的IEEE 802.3at標準，供電設備(PSE)要求PoE Type 1的輸出電壓在44V至57V之間，PoE Type 2(PoE+)的輸出電壓在50V至57V之間。以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)的每個(gè)端口都必須能夠輸出15.4W(Type 1)或25.5W(Type 2)功率。對供電設備來(lái)說(shuō)，輸出要求某種形式的穩壓，但是無(wú)需進(jìn)行嚴格的穩壓。有趣的是，最低電壓的增加是因功率電平增加而增加了最大線(xiàn)性壓降，未來(lái)供電設備則可能要求接近最大值57V的更小電壓范圍。對于具有24、36或48個(gè)端口的典型以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，其要求的總供電設備的功率可能高達1.2kW。這便推動(dòng)了對更高效率和更高功率密度的轉換器的需求。

由于這些磚式轉換器具有規定尺寸限制，工程師不斷嘗試利用創(chuàng )新方法來(lái)提高它們的輸出功率和功率密度。雖然這些想法很多并且千變萬(wàn)化，卻都只是與提高系統效率有關(guān)。這是由于轉換器的固定體積和散熱方法而構成的物理限制。對于半磚轉換器來(lái)說(shuō)，很難除去超過(guò)35W的損耗，即使是使用強大的氣流和/或基板。圖1顯示了在半磚轉換器所要求的最小滿(mǎn)負荷效率與可實(shí)現的輸出功率之間的關(guān)系。因為大多數商用的半磚供電設備轉換器已經(jīng)具有95%效率，所以即使是半個(gè)百分點(diǎn)效率的改進(jìn)也很重要，并可以使輸出功率再額外增加約100W。然而，每瓦的成本($/W)是最重要的考慮因素，提高磚式轉換器效率及輸出功率可以減少模塊每瓦的總成本。

圖1：半磚轉換器達到指定輸出功率時(shí)所需的最低效率(假設最大功耗為35W)。

比較不同的隔離型PoE-PSE轉換器

在嘗試比較半磚PoE-PSE轉換器時(shí)，不可能進(jìn)行簡(jiǎn)單的一對一比較，因為不同的商用轉換器具有非常多樣化設計。每一代電源的輸出功率都有所提高，因為制造商的“最優(yōu)”設計都在結構、版圖和拓撲等方面進(jìn)行了改進(jìn)。要確定“最佳”解決方案是一個(gè)反復的過(guò)程，而“最佳”解決方案的定義也不盡相同，進(jìn)一步增加了問(wèn)題的復雜性。半磚應用的設計是多樣化的，一個(gè)極好的例子是選擇搭建兩個(gè)交錯式轉換器還是搭建單個(gè)轉換器。另外，目前的商用產(chǎn)品都有使用單級轉換或兩級轉換的方法。

對于較大的磚塊尺寸(比如半磚尺寸)，其輸出功率和轉換器的總功耗足夠地高，以致每個(gè)開(kāi)關(guān)通常要求使用多個(gè)功率器件——從所需熱管理的角度，及最小導通電阻(最大晶片尺寸)的角度來(lái)看也是一樣。如果轉換器被劃分為兩個(gè)(每個(gè)負責一半的功率)，那么功率器件的總數量將不會(huì )受到影響。使用更多電感和變壓器的成本和體積增加也有問(wèn)題，因為這些器件更小，并且轉換器的交錯可允許輸出電容減小。此外，磚塊的尺寸(特別是高度的限制)意味著(zhù)單個(gè)大功率變壓器的高度受限，與兩個(gè)較小變壓器的磁芯相比，其磁芯通道的長(cháng)度可能不是最優(yōu)。其余的差異(柵極驅動(dòng)和控制)將有可能成為決定性的因素，也就是說(shuō)，我們能否接受增加成本來(lái)實(shí)現更高的效率及輸出功率？

就像八分之一磚式轉換器那樣，開(kāi)發(fā)基于eGaN FET轉換器不一定是一般的最優(yōu)解決方案。相比目前的商用系統，我們的設計目標是把工作頻率提高許多，用于展示eGaN器件能夠幫助擅長(cháng)于電源設計的工程師開(kāi)發(fā)出具有更高效率和更高輸出功率的最先進(jìn)的新一代產(chǎn)品。

基于原型eGaN FET的PSE轉換器

針對48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設備轉換器，可以選擇采用全橋同步整流器(FBSR)拓撲的相移全橋(PSFB)轉換器(如圖2所示)。由于功率較高，在半磚體積中構建了兩個(gè)交錯式轉換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個(gè)轉換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產(chǎn)生的復雜性，而且使用兩個(gè)獨立的轉換器理論上允許通過(guò)切相來(lái)提高輕載時(shí)的效率。圖3顯示了一相和兩相工作時(shí)的效率結果，其中采用簡(jiǎn)單切相時(shí)的輕載效率提高了至少2%。

每個(gè)轉換器的工作頻率為250kHz，其輸出紋波頻率為1MHz。圖4顯示了更完整的原理圖。其目的是要顯示由于開(kāi)關(guān)頻率的提高和氮化鎵器件的尺寸相對較小，可以在有限的體積中構建兩個(gè)這樣的轉換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著(zhù)，當VIN為60V時(shí)，副邊繞組電壓(不包括開(kāi)關(guān)尖峰)大約為105V，因此，副邊可以使用200V的器件，原邊則可以使用100V的器件。

基于eGaN FET的實(shí)際原型見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，與傳統磚式設計不同，磁性元件沒(méi)有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個(gè)獨立的印刷電路板上。這樣不僅能夠減少主印刷電路板所需的層數，而且允許輸出濾波器使用傳統的表面貼裝電感。轉換器使用八層、每層兩盎司銅的印刷電路板。變壓器繞組是通過(guò)在繞組窗口層疊兩個(gè)八層電路板(并聯(lián))而創(chuàng )建的。

圖2：使用eGaN FET實(shí)現全橋同步整流(FBSR)(兩個(gè)半磚、交錯式250kHz轉換器)的350W全穩壓的相移全橋(PSFB)拓撲。

圖3：采用基于eGaN FET原型設計的半磚PSE轉換器在單相(一半轉換器斷電)和正常兩相工作時(shí)的效率數據。

圖4：采用eGaN FET設計、工作在250kHz開(kāi)關(guān)頻率的八分之一磚式、38 V~60 V至53 V/70W轉換器的原理圖。

圖5：采用eGaN FET設計的48V至53V半磚PSE轉換器的頂視圖和底視圖(單位為英寸)。

PSE轉換器的比較

采用eGaN FET設計的半磚PSE轉換器可以與類(lèi)似的48V至(約)53V全穩壓商用半磚轉換器來(lái)進(jìn)行比較。如前所述，這些商用轉換器覆蓋了表1所列出的各種拓撲和配置。為了重點(diǎn)說(shuō)明基于eGaN FET的原型與這些轉換器是如何比較的，本文選擇了兩種產(chǎn)品(表1中的B和D轉換器)來(lái)展示全面結果。

表1：商用半磚PSE轉換器的比較。

D轉換器是一種傳統的單級、單變壓器的單轉換器，它具有與原型相似的拓撲(雖然eGaN FET的原型含有兩個(gè)并聯(lián)轉換器)。圖6和圖7所示的效率比較表明，使用較低開(kāi)關(guān)頻率可以實(shí)現輕載效率的優(yōu)勢，并且通過(guò)仔細設計磁芯損耗和漏電感則有可能實(shí)現輕載優(yōu)化。相比之下，eGaN FET轉換器的磁芯僅是為了實(shí)現最小的漏電感和在75%更高的開(kāi)關(guān)頻率下審慎切換。這樣，雖然輕載時(shí)的效率較低，但在大約50%負載時(shí)，eGaN FET原型在相似的轉換器總損耗及滿(mǎn)負載條件下將最終產(chǎn)生高出25%的功率(損耗比較見(jiàn)圖6)。

用作比較的第二個(gè)商用的半磚式轉換器(B轉換器)采用的是兩級方案。雖然兩級方案與原型方案不同，但二者都把輸出功率分布到兩個(gè)獨立且并聯(lián)工作的轉換器。兩級方案的優(yōu)勢是支持未調節隔離級轉