用eGaN FET砖式转换器改进电源

　　隔离型砖式转换器广泛地应用于电信系统，为网络设备提供工作电源。这些砖式转换器可以提供各种标准尺寸和输入/输出电压范围。它们中大多数可以在2:1甚至高达4:1的大输入电压范围内工作。它们的模块性、功率密度、可靠性和多功能性简化了隔离式电源应用，并在某种程度上使之在市场上广受欢迎。

　　由于这些砖式转换器的尺寸规定严格，因此设计人员不断地尝试提出创新方法来提高它们的输出功率（和功率密度）。虽然设计人员的想法多种多样，但它们却全都与系统的效率有关。我们以1/8砖式转换器作为例子：虽然有许多的输入与输出电压配置、拓扑结构和输出范围容差（稳压、半稳压和未稳压），但在全功率（即12W至14W之间）时，它们都具有非常相似的功耗。根据转换器的固定体积和散热方法，这是一个物理极限。因此，针对满载时效率达90%（η=0.9）的1/8砖式转换器，其输出功率（假设14W损耗）如图1所示，并可用下列公式表示。

图1:1/8砖转换器在90%效率时的输出功率

　　如果可以仅将效率提高2%,输出功率就可以增加到160W,其增幅在28%以上（图2）！

图2:效率提高2%可将功率提高28%.

　　通过增加工作频率可以降低磁性元件的功耗（多达1个点），然而却通常不会这样做，因为依赖于频率的半导体功耗增加会超过潜在的性能改进。相反，工作频率通常被降低到在全部砖块尺寸限制条件下磁性结构尺寸达到时的点。

　　转换器比较

　　以往文章中对eGaN FET和硅MOSFET的比较，是在相同电路中，使用RDS（ON）值相似的功率MOSFET和eGaN FET器件进行的。这种简单的"一对一"比较能够直接取得评估结果，并易于从数据中取得结论。然而，在比较隔离型砖式转换器时，这种简单却有效的方法却行不通。

　　即使我们把比较仅限于12V稳压输出和1/8砖转换器，不同的商用设计仍然会有很多变化。随着时间的推移，器件、材料、构造以及其它创新技术的发展使实现更大的输出功率成为可能。终的结构、布局和拓扑将随功率等级而变化，即便是相同的功率等级，不同制造商对方案的理解也有差异。

　　确定解决方案是一个反复的过程。虽然如此，要尽可能提高一个特定砖式转换器的效率，只需要加大转换器的尺寸。图3通过比较同代1/8砖和1/4砖转换器产品的效率，清楚地说明了这一点。

图3:1/8砖和1/4砖转换器的效率比较。

　　基于eGaN FET的转换器没必要是的解决方案。其设计目的是尽量使工作频率高出目前的商用系统，以表明eGaN器件可以帮助具有丰富电源设计经验的工程师开发出的下一代产品。

　　在设计48V至12V基于eGaN FET的1/8砖式转换器时，我们选用了相移全桥（PSFB）转换器和全桥同步整流器（FBSR）拓扑，如图4所示。图5给出了更为复杂的原理图。由于这些转换器尺寸相对较小，我们要表明的是，在1/8砖很小的尺寸里，我们可以使用很多的eGaN FET.选择变压器匝比为6:3意味着，在输入电压VIN为75V时，次级绕组电压为38V（对40V器件来说太接近了），因此，初级和次级侧都可以使用100V器件。实际原型见图6,图中还与基于硅的类似转换器做出了详细比较。

图4:采用eGaN FET实现全桥同步整流（FBSR）的180W、1/8砖全稳压相移全桥（PSFB）拓扑。

图5:工作在333kHz,采用36V~75V输入和12V/15A输出的基于eGaN FET的1/8砖式转换器简化原理图。

图6:基于eGaN FET的48V~12V 1/8砖式转换器原型（下图）和具可比性基于硅的转换器（上图）的比较，图中显示了顶视图和底视图（刻度单位为英寸）。

　　1/8砖式转换器比较

　　图6对基于eGaN FET的1/8砖式转换器原型和类似的48V~12V全稳压转换器产品进行了比较。效率和功耗的比较结果分别见图7和图8.虽然eGaN FET原型的工作频率高出33%,但在相同的功耗条件下，它的输出功率却可以高出15%.同样值得一提的是，使用100V eGaN器件的全桥同步整流器可以改变为具有两个并联器件的中心抽头拓扑（类似于基于MOSFET的设计）。这样，输出电感电流就不会流经两个串联器件，而是流经两个并联器件。当输出电流为14A时，这将可以降低75%的次级侧器件传导损耗（1.3W或大约总功耗的10%）。

图7:基于eGaN FET的1/8砖式转换器原型与基于硅MOSFET 1/8砖式转换器商用解决方案的效率比较。

图8:基于eGaN FET的1/8砖式转换器原型与基于硅MOSFET 1/8砖式转换器商用解决方案的功耗比较。

　　基于eGaN FET的相同原型在工作频率为500kHz时的效率数据如图9所示。从图中可以看出，即使工作频率达到类似基于MOSFET转换器的两倍，在36VIN甚至60VIN时，其性能仍然与之相当或者更优，而且满载效率仍然处于1/8砖转换器产品的半个百分点以内。虽然500kHz不是这种转换器的工作频率，但它强调的是使用eGaN FET确实能够降低开关损耗。

图9:基于eGaN FET、开关频率是对方2倍的1/8砖式转换器原型与基于硅MOSFET的1/8砖式转换器商用解决方案的效率比较。

　　下一代1/8砖式转换器

　　发布的下一代基于MOSFET的1/8砖式转换器的输出功率提高了67%（可达240W），且峰值效率要比我们用来与基于eGaN FET转换器比较的产品高出2个百分点。此高性能是通过多方面的改进而实现的（图10对这两个转换器作了视觉比较）。

图10:目前（左）和下一代（右）基于硅MOSFET的1/8砖式转换器的比较。

　　关键变化包括：1.开关频率降低30%到180kHz.增加了变压器和输出电感的磁芯横截面面积，以适用于更低的频率。2.次级中心抽头同步整流器MOSFET器件电压从100V减小到60V.这些新型MOSFET器件的COSS×RDS（ON）乘积约为上代产品的一半，并且RDS（ON）低25%.3.初级侧拓扑从半桥（HB）改为全桥（FB）。4.初级侧MOSFET器件数量加倍（针对全桥）。另外，选用更小的裸片，其COSS只有目前1/8砖式转换器件的1/2,QGD大约只有目前1/8砖式转换器件的1/3,但RDS（ON）却加倍。5.为了适用于这些60V器件，我们计算变压器匝比从4:3:3（HB:CT）改为9:3:3（FB:CT）。这要求输入电压为36VIN时的占空比达到100%以上以保持稳压特性，并且，当输入电压为75VIN时，次级绕组电压为50V.6.使用数字控制器不仅减小了控制所需的电路板面积，而且支持接近100%的占空比。

　　考虑上述2、5、6条，采用具有更低RDS（ON）的次级侧器件具有明显优势，而1、4条通过减少初级侧开关损耗可以提高效率。

　　请查看表1中比较，找出eGaN FET在进一步提高这一基准性能方面可以做什么。为了便于直接比较，我们调整等效eGaN FET以匹配MOSFET的RDS（ON）。当初级侧器件使用eGaN FET时，可使QOSS损耗减少60%,并且开关品质因数（FOM）（RDS（ON）×QGD）降幅可达令人咋舌的93%.

表1:下一代1/8砖硅MOSFET器件与等效eGaN FET的比较

　　要改善实际的开关损耗，取决于栅极驱动性能和版图，准确地说，下一代1/8砖式转换器和上一代产品之间QOSS和QGD的变化分别要达到45%和42%.eGaN FET在无需提升RDS（ON）的情况下，就可分别将上述数字减少60%和90%.虽然QOSS的改善并未大幅提高效率，但估计在满负载时，缩短开关时间可以减少初级侧开关损耗达2.3W.等效eGaN FET在提供100V性能时，具有低40%的RDS（ON）。我们将接着讨论宜普（EPC）公司在中压及高压器件方面的研究成果，以及在改进eGaN FET导通电阻方面做出的持续努力。

　　宜普在前进

　　从2007年开始，宜普电源转换公司（EPC）一直致力于提升eGaN FET的形象和应用。这些器件在台湾的Episil公司生产。Episil是一家商用晶圆代工厂，过去除了生产宜普的eGaN晶圆外，还主要生产CMOS、BCDMOS和双极IC.

　　宜普晶圆使用的标准CMOS工艺，其生产eGaN FET的优势在于与目前MOSFET的生产成本相同。这种"成本竞争力"使eGaN在其它可选材料中脱颖而出。

　　宜普的eGaN FET现在已覆盖了从40V~200V的范围，并且宜普还将推出600V的产品。根据客户的需要，宜普在2012年还有可能推出900V和1200V的产品。

　　eGaN FET具有极低的导通电阻。目前，宜普的40V eGaN FET器件的RDS（ON）可低至4mΩ。通过缩放器件尺寸，宜普还可以达到更小的电阻值。宜普的EPC2010 200V、25mΩ FET树立了RDS（ON）的基准，这种器件的面积小于6mm2.由于氮化镓晶体的宽带隙特性，有源eGaN器件可以做到在300℃以上的高温下工作。宜普公司目前正在开发可以在高温下工作的特有器件。

　　目前器件的额定温度值为125℃或150℃，因为是将它们直接安装在典型温度限值约为100℃的PCB上。由集成了GaN FET的GaN晶体管所组成的单片IC不会降低FET性能。

　　相反，由集成硅晶体管和MOSFET组成的单片IC降低了MOSFET性能。因此，制造商被迫使用多芯片模块，而从硅MOSFET和晶体管组成的电路中获取性能。

　　宜普并未生产eGaN子系统，但却正在设计某种eGaN FET子系统的参考设计，客户利用这种参考设计可以节省工作量并更快地完成产品设计。

　　军用规范

　　宜普和Microsemi公司合作共同致力于将eGaN FET应用于高可靠性的国防和宇航市场。实践证明，宜普eGaN FET在商业、军事和研究卫星等高辐射环境下拥有卓越的性能。Microsemi公司通过与宜普公司合作，有望在来年发布符合军规的全系列产品。

　　eGaN FET还能够符合AEC-Q100汽车应用规范，但目前还未进行测试和设定基础设施。宜普预期将在今后的3至5年，推出针对汽车应用的eGaN FET,该产品的开发将首先从娱乐、导航、舒适和便利功能方面出发，再扩展到安全和传动系统。

　　宜普正在计划将各种保护和驱动功能与eGaN功率FET单片集成，这种产品有望在2012年面世。宜普目前在加州有两个应用工程小组，并在加州还有一个宜普器件表征小组。可靠性测试和研发工作在美国和台湾的外部实验室完成，同时，宜普还周期性地聘请各行作为顾问和承包人，来帮助进行产品表征和应用开发。

　　宜普现在拥有很多杰出和具丰富经验的工程师，并将继续聘用在电源管理领域的技术人才，尤其是器件工程师、材料科研人员和具高学位的应用工程师。