【应用】eGaN场效应管用于高频谐振总线转换器和48V降压转换器

时间： 2017-09-13 来源：EPC（世强编辑整理）

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在隔离型DC/DC转换器设计，氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）具有低传导损耗、低开关损耗、低驱动功率及低电感等优点，可以实现更高功率密度、在高频时更大电流及高效以及在谐振设计的占空比更高，从而在每个占空比输送更大功率。介绍eGaN场效应晶体管在高频谐振总线转换器和48 V降压转换器中的应用。

高频谐振总线转换器

分布式电力系统在电信、网络和高端服务器应用中普遍存在，通常电信业采用48V总线电压。为了安全起见需要采用隔离，从48V总线采用多个隔离负载点（POL）转换器为端部负载供电。传统的分布式电源架构（DPA）如图1（a）所示，使用AC/DC前端转换器来提供48 V总线电压。从48V总线电压，一些稳压隔离式DC/DC POL转换器用于向各个负载提供所需的电压和功率。随着通信、网络和高端服务器系统变得越来越复杂，越来越多的负载所需的电压和电流显着增加。拥有大量稳压的48 V隔离DC/DC POL转换器让这些系统供电增加了系统的成本、体积和复杂性。传统分布式电源架构的局限性在于，随着负载的功率需求的增加，孤立转换器的复杂性也随之增加。完全调节的隔离POL转换器比低压非隔离POL转换器大得多，并且更复杂和更昂贵。

隔离转换器由于隔离要求而引入庞大的变压器和复杂的控制；这导致较低的效率和功率密度。为了简化设计，提出了中间总线架构（IBA）的概念。如图1（b）所示，流行的IBA方法采用较少数量的48 V隔离总线转换器，满足隔离要求，并提供9.6至12V的中间总线电压。通过对较小的负载提供的负载调节，更高效的调节非隔离POL转换器，总线转换器可以作为不受监管的DC/DC变压器运行，提高效率并降低成本。IBA在当今许多分布式电力系统中得到广泛应用，与传统架构相比，产生了改进的性能和较低的整体系统成本。

图1：（a）传统分布式电源架构，（b）中级总线架构

不受监管的总线转换器（也称为DCX或DC/DC变压器）通常工作在接近50％的占空比，以避免最高的效率和功率密度。目前的大多数总线转换器都使用传统的硬开关桥接拓扑，以更低的频率工作来最大程度提高效率。在较低的开关频率下，隔离变压器和输出电感器非常庞大，占据了电路板面积的很大一部分。在提高功率密度的同时可以增加工作频率以缩小电感器和变压器尺寸。随着传统硬开关拓扑的频率增加，体二极管传导、反向恢复和开关的损耗显著增加，限制了转换器的输出功率。

为了在更高的开关频率下提高效率，可以考虑谐振拓扑。谐振拓扑在DC/DC变压器应用中特别受益，因为去除了调节要求，允许转换器始终以谐振频率工作。考虑在高频中间总线转换器（IBC）中应用eGaN场效应晶体管。拓扑如图2所示采用谐振技术，利用变压器的磁化电感（LM）和漏电感（LK）的谐振加上小的输出电容（CO）来实现零电压开关（ZVS），限制关闭电流，消除体二极管导通。

图2：高频总线转换器

在高频总线转换器应用中，eGaN场效应晶体管可以显着提高软开关/谐振转换器的性能。一方面减少输出电容可以降低实现零电压开关（ZVS）所需的循环能量和换向时间，从而提高有效功率输送间隔，提高整体效率。另一方面，降低eGaN 场效应管提供的栅极电容可以产生更快的开关速度，降低驱动电压，从而降低栅极驱动损耗。将eGaN 场效应晶体管置于高频总线转换器应用中可以有助于推进频率而不会牺牲转换器性能。

48V降压转换器

数据中心会消耗大量的电能，这些数据中心的运行功率从兆瓦到数十兆瓦。数据中心的电源转换设计重点是提高能源效率并降低运营成本。降压转换是一种非常经济的方式，可将48V转换为数据中心要求的较低电压。虽然所有级别的功率转换都将受益于宽带隙半导体，但对整体效率的最大影响是最低的电压。这是作为48V降压设计中用于控制器和整流器功能的开关eGaN场效应管具有超过MOSFET的巨大优势，并将显着提高数据中心效率。

eGaN场效应管可以实现从48V到负载点的单级转换，其直流总线架构的实现如图3所示。电信和数据通信系统中，在单阶段采用基于eGaN场效应晶体管的方法可以产生更高的功率密度并降低系统成本。

图3：单级转换：直流总线架构

eGaN 场效应晶体管和芯片在48V降压转换器中的优点：

• 增加输出电流同时减小尺寸

• 超低QGD和零QRR =高电流和高电压有效切换

• 晶圆级封装=低电感、低噪声、低成本

• 高频开关=更小、更便宜的无源元件和更快的瞬态响应

• 超低电容=轻负载时的高效率

48 V降压转换器的推荐芯片、相关参数和开发板型号如表1所示。

表1：48V降压转换器芯片推荐

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