【经验】如何构建数据中心及汽车应用中最小和最有效的48V至5-12V DC/DC转换器

时间： 2018-11-23 来源：EPC

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如今，基于氮化镓(GaN)器件的低压电力设备已经应用到许多产品中，例如光电探测和测距（激光雷达）、包络跟踪和无线电源。同时，这些应用也在推动GaN器件发展出更加强大的供应链、更低的生产成本和更可靠的性能，吸引越来越多的工程设计师将GaN器件运用到主流应用中去，例如DC/DC转换器、AC/DC转换器。本文所介绍的，就是传统应用中的重头戏：48V DC/DC转换器。

在现代数据中心中，配电总线的架构开始从12V到48V过渡，因此对48V功率转换的效率和功率密度提出了越来越大的需求，而使用eGAN FETs和ICs设计的DC/DC转换器就能够提供高效率和高功率密度的解决方案。此外，随着48V电力系统在轻型混合动力、混合动力和插电式混合动力汽车中大面积应用的时代来临，使用GaN晶体管更可以明显地减少产品尺寸、重量和材料清单(BOM)成本。

宜普电源转换公司（EPC）是基于增强型氮化镓的功率管理器件的领先供应商，下面我们就以其2018年10月31日推出的设计经验，包含最新一代eGaN FET EPC2045和基于eGaN的高功率密度电源模块EPC9205为例，介绍eGaN FET的性能特点，以及它给DC/DC转换器带来的性能提升。

图一 EPC2045的封装示意图

EPC2045氮化镓场效应晶体管的耐压最大为100V，导通阻抗仅为7mΩ，持续运行电流最大可达16A。此外，EPC2045的占位面积几乎是同类Si MOSFET的五分之一，也具有较低的寄生电容。和同等硅器件相比，EPC2045即使工作在更高的转换频率，其转换损耗也很低，转换速率更快。

图二 EPC9205电源模块

如图二所示，基于GaN的电源模块EPC9205配置为同步降压转换器，当在48V的输入电压、12V的输出电压和10A的负载电流下工作时，能够产生1400W/in³的功率密度。EPC9205可以提供从5V到12V的输出电压，并且每相输出电流14A。

图三 EPC9205系统结构图

EPC9205的原理如图三所示，EPC9205采用同步降压拓扑结构，使用了两个EPC2045 eGaN FET进行同步降压，还集成了uPI半导体公司的uP1966A半桥栅极驱动器IC、输入和输出滤波器以及电流和温度检测功能。 eGaN FET的高频能力大大降低了电路的滤波要求，在应用中用户可以选择具有更小尺寸和更低损耗的输出滤波电感。

从性能验证的数据来看，工作在700kHz， 48V到12V电压转换时，EPC9205在10A负载下的峰值效率达到96％，在400 LFM气流下FET温度最大为100ºC。图4显示了电压转换到12V时，高达15A的输出电流的功率效率曲线。 EPC9205还能够产生低至5V的输出电压。图5显示了当工作在500kHz时，效率与输出电流在5-12V输出电压时的函数关系。

图四 EPC9205的输出效率

图五不同输出电压条件下EPC9205的输出效率对比

为了进行基准测试，将基于Si MOSFET的设计与EPC9205进行了比较。Si MOSFET设计使用了较低的300kHz的转换频率，并选择了IHLP-5050FD-01（Vishay)系列中最大的5.6μH电感。与Si MOSFET设计的电气性能比较如图6所示，从中可以明显看出EPC9205的优势所在。

图六基于Si MOSFET的设计与EPC9205的效率对比

设计48V至5-12V总线转换器时，用eGaN FET代替硅MOSFE可以在有效减小产品尺寸和降低成本的同时保持甚至超过原有转换效率。基于eGaN的48V至12V降压转换器的材料清单产生的每瓦成本低于0.05美元，同样的材料清单还可用于低至5V的输出电压。

图七 EPC9205的材料清单

适用于EPC9205的控制器包括德州仪器公司的TPS53632G。如果需要将EPC9205配置在多相系统中以获得更高的输出电流，可以使用Mircochip的dsPIC33EP128GS704。

从设计经验可以看到，eGaN FET已经逐渐成为更快、更高效和低成本的半导体解决方案，适用于快速增长的高性能、超高功耗的48V应用产品组合，尤其是数据中心供电和汽车应用中。

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