低壓降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

很多負載點(POL)應(yīng)用適合用于工作電壓為5V或12V電源軌的降壓轉(zhuǎn)換器。在更低電壓及小電流的情況下，功率MOSFET可以單片地集成，而在大電流 及高壓下，混合功率模塊及分立解決方案則非常普遍。按不同的負載要求，典型的電流值為每相20A，雖然單相的輸出功率也有可能高達40A。在較大的負載電 流要求如電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)，我們使用交織的多相降壓來提高效率及動態(tài)響應(yīng)。目前逐步發(fā)展的V-core功率架構(gòu)及其它敏感的負載所要求的更快動態(tài)響應(yīng)及更高頻寬都會影響基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的負載點解決方案的普及速度。在可實現(xiàn)的MHz開關(guān)頻率范圍內(nèi)推動使用更小電感及電容，因此可實現(xiàn)更小型、具更低系統(tǒng)成本的、基于eGaN FET的負載點系統(tǒng)。使用電池的便攜應(yīng)用(10V~12V)規(guī)定必需符合最小效率要求，但同時需要一個外置適配器使之可以工作在19V及工作在設(shè)計的熱限制下。19V輸入需要30V或以上的MOSFET器件。雖然負載電壓不同，但我們通常在1.2V輸出電壓對轉(zhuǎn)換器進行比較。

我們使用含eGaN FET的演示板(EPC9101)與使用相同降壓控制器的含MOSFET演示板(DC1640A-B)進行比較，后者經(jīng)過修改，以匹配前者的輸入及輸出電容、電感及工作頻率。此外，所采納的MOSFET也改為與eGaN FET具相同導(dǎo)通電阻(RDS(ON))。測試電路板的照片如圖2所示。我們通過使用電路板上的電壓感應(yīng)通孔，測量盡量接近實際轉(zhuǎn)換器電路的輸入及輸出電壓，測量結(jié)果見圖3。由于這個應(yīng)用關(guān)注eGaN FET的體二極管具更高前向電壓，當(dāng)首次測量效率時，死區(qū)時間增加至包括大約在每個開關(guān)邊緣(每個周期為20ns)的10ns體二極管傳導(dǎo)。此外，EPC2015器件與3A肖特基二極管并聯(lián)，并再次測量其效率。根據(jù)這些測量條件，圖4及5分別展示12V及19V輸入效率的結(jié)果。

在輸入電壓范圍內(nèi)，每個周期中的二極管導(dǎo)通時間增加20ns將使基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器效率降低約2%至3%。可是在輕載時(低于3A)，效率實際上會稍為提高，因為這種額外死區(qū)時間可容許交換節(jié)點電壓的自我轉(zhuǎn)換。為了獲得最佳的滿負載工作性能而使用短死區(qū)時間意味著在輕載時會發(fā)生強制轉(zhuǎn)換。

使用額外增加的肖特基二極管極大地提高了效率，其效果差不多相等于優(yōu)化開關(guān)時間。在所有的測試工作條件下，基于eGaN FET轉(zhuǎn)換器的效率比使用等效MOSFET電路的轉(zhuǎn)換器高出3至7個百分點。實際上，相比等效MOSFET于12V輸入時的效率，經(jīng)過優(yōu)化的eGaN FET工作在19V輸入時具備更高的效率。

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中壓降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

對于超出30V MOSFET性能的更高電壓來說，應(yīng)用空間會有所變化，并且沒有特別的大批量應(yīng)用。幾乎所有電信轉(zhuǎn)換器都使用-48V電源，因此要求針對步降至+12V或+24V總線進行隔離；而計算與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般都使用+48V的總線，因此只是當(dāng)沒有強制性隔離要求才有可能使用降壓轉(zhuǎn)換器。無論是否實際應(yīng)用，在中壓范圍內(nèi)，MOSFET與eGaN FET可以通過考慮如圖7所示的通用降壓應(yīng)用作出比較。

我們使用兩個中壓降壓轉(zhuǎn)換器演示板來比較eGaN FET及MOSFET器件的性能。兩塊標準的演示電路都已修改為具有相同輸入及輸出電容、電感及工作頻率。圖6展示兩塊測試電路板的照片。于低壓轉(zhuǎn)換器的比較一樣，MOSFET器件也改為與eGaN FET具有相同導(dǎo)通電阻。為確保取得準確的測量結(jié)果，我們通過使用所增加的通孔來測量輸入及輸出電壓，以盡量接近實際轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出電壓，測量結(jié)果見圖7

圖8及9分別展示效率結(jié)果及相對的功率損耗結(jié)果。測量點在輸出電流達10安培時或在轉(zhuǎn)換器的總功率損耗達10W時比較，要看那一點首先出現(xiàn)。結(jié)果清楚地表明，相比MOSFET器件，eGaN FET在效率方面極大地提高了4至8個百分點。更重要的是，當(dāng)基于MOSFET器件的轉(zhuǎn)換器的功率損耗達10W時，基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器的損耗小于前者的一半,致使轉(zhuǎn)換器的功率損耗減少超過50%。這些損耗包括非器件損耗如電感磁芯及銅損耗，因此減少了的器件損耗實際上更大。同樣地，由于基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器的死區(qū)時間設(shè)置為給重負載而經(jīng)過優(yōu)化，它的零電壓開關(guān)的損耗構(gòu)成兩個轉(zhuǎn)換器的無負載損耗。