【经验】EPC2111 eGaN单片半桥IC在12V-1V负载点POL转换器的应用

时间： 2019-04-21 来源：EPC

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硅基氮化镓（GaN）低压功率器件的优异开关速度能够实现许多新的应用。这些新应用正在改变行业，如自动驾驶汽车的光探测和测距（激光雷达），4G和5G通信的包络跟踪以及家庭和办公室的大面积无线电源。

除了为这些新应用的性能做出贡献外，GaN器件的发展还推动了强大的供应链的快速发展，并降低了生产成本（通过更高的产量）以及具有令人羡慕的可靠性记录。所有这些与GaN相关的优势为比较保守的设计工程师提供了足够的激励，使他们能够在更主流的应用中创建电源系统设计，例如DC-DC转换、AC/DC转换和汽车配电。本文将对一个传统的Si应用进行描述，即12V-1V负载点（POL）DC/DC转换器，介绍如何通过GaN来实现该应用，并将其作为对GaN器件性能的贡献的一个例子。

满足耗电量大的移动计算的需求

消费者希望他们的移动设备能够执行不断增长的耗电任务。这些性能要求加上对小巧轻便的外形和延长电池寿命的互相冲突的需求，转化为了对配电系统的不断增长的需求。换句话说，高性能负载点（POL）DC-DC转换器（动力引擎）需要设计成小尺寸而具备高效率。

图1：移动产品的POL要求为GaN器件的高性能、极小尺寸和低成本提供了完美的平台

减小核心电力电子设备的尺寸并降低功耗对于跟上这些需求至关重要。增加功率晶体管的开关频率是减小尺寸的已知途径。目前可用的基于GaN的功率器件有助于消除实现更高转换器频率的障碍，并将推动下一代移动计算的发展。

如何在不牺牲转换器效率的情况下提高速度？通过集成！

增加频率是减少尺寸的可靠方法。对移动系统同样重要的是实现高效的解决方案，这是节省电池寿命的关键。单芯片集成可以显著提高转换器效率，例如采用eGaN FET和IC。

高频率和高效率的关键障碍点是寄生电感。现有研究成果已证明寄生电感会降低开关速度，从而增加系统功率损耗。通过将两个eGaN功率晶体管集成到单个器件中，可以大大减少甚至消除PCB上所需的互连电感和间隙间距。

图2：EPC2111 30V单片半桥IC，导通电阻为19mΩ（Q1）和8mΩ（Q2）

集成的第二个优点是能够优化芯片尺寸以及控制FET和同步整流器的形状。集成允许减小控制FET（Q1）的尺寸以减少与开关相关的损耗，并且允许实现更大的同步整流器（Q2）以减小导通损耗。它还允许创建“长而薄”的控制FET（见图2），用于降低功率回路电感。所述EPC2111（图2）是一个单片eGaN半桥IC，设计用于高降压负载点转换器，其中控制FET（Q1）的大小约为同步整流器（Q2）的四分之一。每个FET能够在5.25mm²的微小空间内承载16A的连续电流。与同等硅器件相比，EPC2111的占位面积几乎是同类Si MOSFET的七分之一，并且可以更快地切换，还具有更低的寄生电容。结果是即使在非常高的开关频率（10MHz）下EPC2111也具有最低的开关损耗操作，使该GaN器件成为POL应用的理想选择。

1000W/in³功率模块 - EPC9204 DrGaN^PLUS

尺寸最小，最具成本效益和效率最高的非隔离12至1.0V POL转换器，可以通过采用单片的eGaN半桥IC实现，如EPC2111，适用于高性能计算、加密货币和电信应用。

使用EPC2111的一个应用演示是EPC9204 DrGaN^PLUS模块（如图3所示）。它是一个同步降压转换器，功率密度为1000W/in³，能够提供12A电流。

图3：EPC9204开发板

EPC9204功率模块采用EPC2111 eGaN单片半桥IC并配置为同步降压拓扑（如图4所示）。EPC9204功率模块如图3所示，还采用了pSemi公司的PE29102半桥栅极驱动器IC，输入和输出滤波器，并具有电流和温度检测功能。EPC9204板上最高的元件仅为1.2mm。eGaN FET的高频能力大大降低了滤波要求，允许优化后的输出滤波器电感器具有更小的尺寸和更低的损耗。

图4：配备EPC2111的EPC9204开发板的原理图，适用于12V至1V POL转换

EPC9204在5A负载和5MHz时可实现78％的峰值效率，在400LFM气流下最大FET温度为100°C。图5显示了分别在3、5和10MHz下工作时负载电流范围内的效率曲线图，其中负载电流最高达12A。

图5：使用EPC2111 eGaN单片半桥 IC的12V_IN至1V_OUT的EPC9204效率与输出电流的关系

从Si MOSFET到使用eGaN IC的高频12V至1V POL转换器设计是一个显而易见的选择，因为它具有更高的效率，并且还可以减小尺寸和成本。表1显示了转换器的材料清单，其每瓦成本低于0.20美元。

表1：基于500k单价的单片eGaN 12V至1V转换器的材料清单

基于eGaN IC的12V至1V、12A负载转换器在5MHz时的峰值效率为78％，功率密度至少为1000W/in³，所有成本均低于每瓦0.20美元。

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