采用eGaN FET的非隔离降压DC/DC转换器设计

使用硅MOSFET设计和构建具有宽输入电压范围和标准5 V输出的高输出电流的隔离式降压DC/DC转换器，但性能有限，特别是在低负载和高输入时电压。更重要的是，随着硅的成熟，如果输入电压很高，在轻负载时从宽输入降压DC/DC转换器中挤出更多汁液可能是一项挑战。与硅MOSFET不同，基于增强型氮化镓（eGaN）的FET有望在相同的输入和输出参数组中在宽负载变化范围内提供更好的性能。事实上，由于这些宽带隙器件的工作速度更快，击穿电压更高，导通电阻更低，因此可以在各种负载变化范围内提供更高的效率，同时最大限度地减少空间和成本。

由于eGaN FET是建立在硅衬底上的，因此成本差异正在缩小，商业增长正在改善。例如，高效电源转换（EPC）在过去四年中一直在硅基eGaN FET上提供氮化镓，并继续扩展其产品组合。此外，为了帮助设计人员从硅转换为eGaN FET，该公司已经构建了许多评估板，可以在特定的降压转换器设计中比较硅MOSFET与eGaN FET的性能（参见TechZone文章。“开发板使评估eGaN FET简单“）。此外，EPC已经构建了许多演示板，在特定的DC/DC转换器电路中使用这些宽带隙器件提供完整的参考设计。

例如，在本文中，我们将研究一个广泛的输入， 20采用EPC的eGaN FET（如EPC2001和EPC2021）在宽负载变化范围内设计的非隔离降压DC/DC转换器。此设计中使用的降压控制器是凌力尔特公司的LTC3891，它集成了驱动器并采用恒定频率电流模式架构。该DC/DC降压转换器专为电信，工业和医疗应用中的分布式电源解决方案而设计。

宽输入，高电流降压

在研究宽输入，大电流隔离降压转换器之前使用GaN晶体管设计，让我们首先看一下这个设计中结合的eGaN FET EPC2001和EPC2021的特性和特性。该公司数据表显示EPC2001是一款100 V器件，RDS（on）为7mΩ，漏极电流（ID）为25 A. EPC2021是一款80 V eGaN晶体管，RDS（on）为2.5mΩ，漏极电流（ID）为60 A.脉冲ID的额定值为420 A.由于导通电阻较低，GaN晶体管的导通损耗要低得多。同时，由于它们设计用于更高的开关频率，因此这些GaN FET的开关损耗也低得多。此外，为了最大限度地降低封装电感，eGaN FET采用带焊条的钝化芯片形式。这些eGaN FET还克服了硅MOSFET的最小导通时间问题，从而实现了具有宽输入电压范围的高效，紧凑的高降压比同步降压转换器。

利用eGaN FET的属性，EPC已经准备好一块开发板，标记为EPC9118，以简化构建具有30至60 VDC输入电压范围和5.0 V固定直流输出的非隔离20 A降压DC/DC转换器的任务。它包括一个完整的功率级，包括eGaN FET EPC2001和EPC2021，驱动器，电感器和输入/输出电容器（图1）。如图所示，控制器LTC3891集成了GaN FET驱动器。由于GaN晶体管能够在高频下进行开关，因此本设计中的降压转换器在400 kHz时切换。

图1：功率级包括eGaN FET，驱动器，电感器和输入/输出电容器。

根据演示板的快速入门指南，EPC9118是一块2.5英寸方形板，包含一个带有优化控制回路的全闭环降压转换器。基于图1所示的功率级，图2中描绘了具有5 VDC输出的宽输入20 A非隔离降压转换器的完整原理图。该完整电路在该演示板上组装，具有适当的布局以最大限度地减少损耗和EMI。由于演示板包括闭环控制器，因此效率测量必须包括由控制器引起的损耗。演示板指南提供了测量此降压DC/DC转换器效率的步骤。

图2：宽幅的完整原理图 - 输入非隔离降压DC/DC转换器，输出电压为5 VDC，电流为20 A.

本指南介绍了在400 kHz开关频率下工作的宽输入降压转换器的测量效率性能如图3所示。它表明这款紧凑型电路板可提供超过93％的满载功率效率，同时在5 VDC输出和36 VDC输入下提供20 A电流。输出负载电流从5A变为20 A，36 VDC输入时转换效率保持在93％以上。只有当负载电流降至2.5 A以下时，它才开始急剧下降。同样，当输入电压较高时，例如48 VDC且输出电压相同，则效率会下降一个点左右。例如，对于48 VDC输入和5 VDC输出，如图3所示的测量效率超过92％。当负载电流为5A且输入和输出电压参数与之前相同时，此效率略低于92％。当负载电流开始降至2.5 A以下时，效率开始急剧下降。但是，即使负载电流仅为1 A，它仍可提供约80％的效率性能。图3中还说明了56 VDC输入的类似性能。

图3：采用eGaN FET的宽输入20 A降压DC/DC转换器的典型测量效率曲线。

总之，开发板EPC9118演示高效率，宽输入20 A降压转换器可以使用高频开关eGaN FET轻松设计和制造。采用这些宽带隙晶体管构建的电源电路在5 VDC输出的满载20 A时可实现93％以上的转换效率，宽输入直流电压范围为30 V至60 V.效率仍然很高，即使负载降至5A以下。