采用eGaN FET的非隔離降壓DC/DC轉換器設計

使用硅MOSFET設計和構建具有寬輸入電壓范圍和標準5 V輸出的高輸出電流的隔離式降壓DC/DC轉換器，但性能有限，特別是在低負載和高輸入時電壓。更重要的是，隨著硅的成熟，如果輸入電壓很高，在輕負載時從寬輸入降壓DC/DC轉換器中擠出更多汁液可能是一項挑戰。與硅MOSFET不同，基于增強型氮化鎵（eGaN）的FET有望在相同的輸入和輸出參數組中在寬負載變化范圍內提供更好的性能。事實上，由于這些寬帶隙器件的工作速度更快，擊穿電壓更高，導通電阻更低，因此可以在各種負載變化范圍內提供更高的效率，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，商業增長正在改善。例如，高效電源轉換（EPC）在過去四年中一直在硅基eGaN FET上提供氮化鎵，并繼續擴展其產品組合。此外，為了幫助設計人員從硅轉換為eGaN FET，該公司已經構建了許多評估板，可以在特定的降壓轉換器設計中比較硅MOSFET與eGaN FET的性能（參見TechZone文章?！伴_發板使評估eGaN FET簡單“）。此外，EPC已經構建了許多演示板，在特定的DC/DC轉換器電路中使用這些寬帶隙器件提供完整的參考設計。

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）在寬負載變化范圍內設計的非隔離降壓DC/DC轉換器。此設計中使用的降壓控制器是凌力爾特公司的LTC3891，它集成了驅動器并采用恒定頻率電流模式架構。該DC/DC降壓轉換器專為電信，工業和醫療應用中的分布式電源解決方案而設計。

寬輸入，高電流降壓

在研究寬輸入，大電流隔離降壓轉換器之前使用GaN晶體管設計，讓我們首先看一下這個設計中結合的eGaN FET EPC2001和EPC2021的特性和特性。該公司數據表顯示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.由于導通電阻較低，GaN晶體管的導通損耗要低得多。同時，由于它們設計用于更高的開關頻率，因此這些GaN FET的開關損耗也低得多。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的最小導通時間問題，從而實現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換器。

利用eGaN FET的屬性，EPC已經準備好一塊開發板，標記為EPC9118，以簡化構建具有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轉換器的任務。它包括一個完整的功率級，包括eGaN FET EPC2001和EPC2021，驅動器，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驅動器。由于GaN晶體管能夠在高頻下進行開關，因此本設計中的降壓轉換器在400 kHz時切換。

圖1：功率級包括eGaN FET，驅動器，電感器和輸入/輸出電容器。

根據演示板的快速入門指南，EPC9118是一塊2.5英寸方形板，包含一個帶有優化控制回路的全閉環降壓轉換器?；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，具有適當的布局以最大限度地減少損耗和EMI。由于演示板包括閉環控制器，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開關頻率下工作的寬輸入降壓轉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。輸出負載電流從5A變為20 A，36 VDC輸入時轉換效率保持在93％以上。只有當負載電流降至2.5 A以下時，它才開始急劇下降。同樣，當輸入電壓較高時，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％。當負載電流為5A且輸入和輸出電壓參數與之前相同時，此效率略低于92％。當負載電流開始降至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轉換器的典型測量效率曲線。

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