基于电流非隔离降压转换器设计使用的eGaN FETs

<[p] >设计和建造隔离，降压DC/DC转换器在可实现标准的5伏输出使用硅MOSFET但具有有限的性能宽输入电压范围和高输出电流，特别是在低负荷和高输入电压。更重要的是，硅成熟，从宽输入降压型DC / DC转换器挤出更多的果汁在轻负载时可以是具有挑战性的，如果输入电压较高。不像硅MOSFET，增强型氮化镓(的eGaN)为基础的FET承诺过的同组的输入和输出参数的宽负荷变化提供更好的性能。事实上，由于这些宽禁带装置在高得多的速度与更高的击穿电压下工作和较低的导通电阻，它们可以在宽范围的负载变化的递送高得多的效率，同时减少了空间和成本。<[p] >由于场效应管的eGaN是建立在硅衬底上，成本差异正在缩小和商业斜坡上升正在改善。高效的电力转换公司(E[p] C)，例如，一直提供氮化镓上硅为基础的eGaN FET的在过去的四年中，并继续扩大其产品组合。此外，为帮助设计师从转型到硅场效应管的eGaN，公司已建成许多比较硅MOSFET与场效应晶体管的eGaN特定降压转换器设计的性能评估板(见技术专区的文章。“开发板做评估的eGaN FET的简单“)。此外，E[p] C已经建立了许多演示板提供使用在特定的DC / DC转换器电路，这些宽禁带设备提供完整的参考设计。<[p] >例如，在本文中，我们将使用E[p] C的场效应晶体管的eGaN，如E[p] C2001和E[p] C2021，在宽负载变化调查一个宽输入，20 A非隔离降压型DC / DC转换器设计。本设计中使用的降压控制器是凌力尔特的LTC3891，它集成了驱动器和采用恒定频率电流模式架构。这个DC / DC降压转换器设计用于分布式电源解决方案在电信，工业和医疗应用。<[p] >宽输入，高电流降压<[p] >在调查的宽输入，使用氮化镓晶体管高电流隔离降压转换器的设计，让我们先来看看在这个设计中采用了性能和场效应管的eGaN和E[p] C2001功能E[p] C2021。该公司数据显示，E[p] C2001是一个100 V器件具有RDS的7毫欧(上)和25的漏电流(ID)功能。 E[p] C2021是一个80伏的eGaN晶体管具有RDS 2.5毫欧的(上)和60的漏电流(ID)功能。脉冲的ID的额定功率为420 A.由于该导通电阻低时，氮化镓晶体管提供低得多的传导损耗。同时，因为它们是设计用于更高的开关频率，开关损耗，这些氮化镓FET是也低得多。此外，为了最大限度地降低封装电感，场效应管的eGaN进来焊锡条钝化裸片形式。这些场效应管的eGaN也克服了最小导通时间硅MOSFET的问题，使非常高效和紧凑的高降压比同步降压转换器具有宽输入电压范围。<[p] >开发的eGaN FET的属性，E[p] C已经准备好一块开发板，标E[p] C9118简化构建非隔离20 A降压型DC / DC转换器，30〜60 VDC输入电压范围和5.0 V固定直流输出的任务。它包括一个完整的功率级，其中包括的eGaN场效应晶体管E[p] C2001和E[p] C2021，驱动器，电感器，和输入/输出电容器(图1)。如图所示，控制器LTC3891包含在GaN FET驱动器。由于氮化镓晶体管能够在高频率切换，在该设计中，降压转换器被转换为400千赫。<[p] >总承包公司的eGaN FET的形象和E[p] C2001 E[p] C2021<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >图1：该功率级包括的eGaN场效应晶体管，驱动器，电感器，和输入/输出电容器。<[p] >根据演示板的快速入门指南，E[p] C9118是一款2.5英寸的方形板，包含一个全闭环降压转换器优化控制回路。基于图1中所示的功率级，该宽输入20所述的非隔离降压转换器5 VDC输出的完整示意图在图2中描绘这个完整的电路组装在此演示板用适当的布局，以尽量减少损失和EMI。由于演示板包括一个闭环控制器，效率测量必须包括由于控制器损失。该演示板的指南提供了衡量这种降压型DC / DC转换器的效率的过程。<[p] >总承包的E[p] C9118降压型DC / DC转换器的图像<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >图2：宽输入非隔离降压型DC / DC转换器的5伏输出电压的完整示意为20 A.<[p] >这个指南给出在400千赫开关频率操作的宽输入降压转换器，它被示于图3的测量效率性能这表明此紧凑的电路板可以提供超过93%的满负载功率效率​​，同时提供20 a在5 VDC输出36 VDC输入。与输出负载电流变化从5到20A，转换效率仍然超过93%的有36 VDC输入。它开始急剧下降，只有当负载电流降到低于2.5 A.类似地，当输入电压较高时，如48伏直流同为5伏直流电输出，效率下降由点左右。例如，与48伏直流输入和5伏直流电输出，在图3所示的测量效率是92%以上。这种效率下降略低于92%，当负载电流为5A和输入和输出电压参数和以前一样。当负载电流开始下降到低于2.5 A，效率开始大幅回落。然而，它仍然提供了大约80%的效率的性能，即使当负载电流仅为1 A.类似性能为56伏直流输入也示于图3。<[p] >典型的测量效率曲线图片<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >图3：典型的测量效率曲线的宽输入20 A降压DC / DC转换器使用的eGaN FET的。<[p] >综上所述，开发板E[p] C9118表明，高效率，宽输入20 A降压转换器可以很容易地设计和使用高频开关场效应管的eGaN建成。内置有这些宽带隙晶体管的电源电路可实现超过93%的满负荷的20所述的在5伏直流输出为30 V至60 V宽输入直流电压范围转换效率的效率仍然很高，即使作为负荷下降到低于5 A.