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利用开发板实现对eGaN FET电源设计的评估

出处:电子发烧友 发布于:2019-01-24 13:46:43 | 162 次阅读

长期以来,宽带隙氮化镓硅(GaN-on-Si)晶体管现已上市。他们被吹捧为取代硅基MOSFET,这对于许多高性能电源设计而言效率低下。最近,市场上出现了几家基于GaN-on-Si的HEMT和FET的供应商,其中包括高效电源转换(EPC)。在过去的四年中,该公司一直在扩展其商用增强型(常关)GaN FET或eGaN FET系列。今天,低压eGaN FET系列中大约有11个成员,超高频线中大约有8个成员。

这些高性能,宽带隙晶体管被推荐用于各种高频高效率,高密度DC/DC转换器和其他针对新兴应用的电源,如无线功率传输,包络跟踪,RF传输,太阳能微型逆变器,LiDAR,遥感和D类音频放大器。为了帮助设计人员了解硅功率MOSFET和eGaN FET之间的细微差别,从而加快其在即将推出的电源解决方案中的应用,该公司已经为其eGaN FET创建了许多应用笔记,白皮书和视频系列。

什么是此外,为了加快eGAN FET对从硅MOSFET到eGaN FET的电源设计的评估,EPC在过去几年中发布了几个开发板。最新的介绍,包括EPC9022到EPC9030,提供半桥拓扑结构和板载栅极驱动器。它们旨在简化公司EPC8000系列超高频,高性能eGaN FET的成员评估。目前,EPC8000系列中有8个成员,每个部分都有相应的开发板,如表1所示。

利用开发板实现对eGaN FET电源设计的评估

表1:带有相应开发板的EPC8000系列(由EPC提供。)这些开发板尺寸为2英寸x 1.5英寸,包含两个半桥配置的eGaN FET,带有板载Texas Instruments栅极驱动器LM5113电源和旁路电容(图1)。此外,为了简化评估,它包含所有关键组件,并采用适当的布局以实现最佳的高频开关性能。此外,该电路板设计用于提供各种探头点,以便于简单的波形测量和效率计算(图2)。

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图1:EPC的eGaN FET开发板的框图。

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图2:为了便于简单的波形测量和效率计算,开发板提供了各种探测点。例如,EPC9022在一半中使用两个65 V EPC8002 eGaN FET采用LM5113作为栅极驱动器的桥接拓扑结构。最小开关频率为500 kHz。表1显示eGaN FET的额定漏源击穿电压为65 V,RDS(on)为530mΩ,连续漏极电流(ID)为25 A,环境温度为25°C。使用该电路板,用户可以测量EPC8002的主要区别特征,包括给定导通电阻RDS(on),品质因数(FOM),开关频率和相关损耗,输出电容和封装电感的栅极电荷QG。产品数据表显示,对于给定的导通电阻,eGaN FET的栅极电荷远低于前沿硅MOSFET。事实上,根据EPC,对于给定的击穿电压,它可能是最接近的硅MOSFET的五分之一到二十分之一。

同样,内部测试显示FOM,即RDS(on)x QG,与同类硅MOSFET相比,eGaN晶体管的电压显着降低,使设计人员能够在非常高的频率下硬切换这些FET,同时保持极低的开关损耗。

较小的输出电容是eGaN FET提供的另一个优势。根据供应商的解释,相同导通电阻的输出电容可以是类似MOSFET的三分之一到一半。换句话说,它使用一半的电容来传输相同的能量,使您的设计在物理上更小,以获得更高的功率密度。

eGaN FET提供的另一个显着特点是封装电感。 EPC的eGaN器件采用带焊条的钝化模具形式。它采用源极和漏极端子的交叉数字,以最小化连接电阻和寄生电感。结果,封装电感从2.9nH降低到0.4nH,从而进一步降低了开关损耗,从而提高了效率。此外,它还可以最大限度地减少过冲和振铃。实际上,电路板布局旨在确保寄生高频环路电感最小,因为低电感高频环路可降低高峰值电压和振铃(图3)。制造商指出,降低振铃的设计简化了EMI设计。

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图3:正确的电路板布局确保寄生高频环路电感最小,从而降低峰值电压并降低输出振铃。

使用这些电路板可以轻松构建多个电路,例如高降压比DC/DC转换器,负载点(POL)稳压器,D类音频放大器以及硬开关和高频电路并且可以衡量绩效。实际上,为了简化在功能齐全的工作示例中评估这些器件的过程,EPC还准备了EPC9101演示板,这是一个1 MHz降压转换器,具有1.2 VDC输出,最大输出电流为20 A,输入电压为8至24 VDC电压范围。该演示板采用40 V EPC2014和EPC2015 eGaN FET,包括eGaN FET专用栅极驱动器LM5113和DC/DC控制器LTC3833。在该电路中,40 V EPC2014的额定最大RDS(on)为16mΩ,在25°C环境温度下连续漏极电流为10 A.同样,40 V EPC2015的最大RDS(on)为4mΩ,在25°C环境温度下连续漏极电流为33 A.虽然EPC9101演示板(图4)并非用作参考设计,但它显示了使用eGaN FET和eGaN栅极驱动器可以实现的性能。

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图4 :EPC9101是一款3英寸方形演示板,包含一个基于40 V eGaN FET EPC2014和EPC2015的全闭环1 MHz降压转换器。

根据演示板的快速入门指南,EPC9101是3英寸 - 方板,包含一个全闭环1 MHz降压转换器。功率级采用单面设计,包含在20 x 11 mm范围内,包括驱动器,eGaN FET,总线电容和输出电感。该指南还提供了各种探针点,以便于简单的波形测量和效率计算。由EPC工程师测量的该电路的典型效率性能如图5所示。

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图5:EPC9101演示板1的测量效率性能,包括控制器和LDO损耗MHz降压转换器。降压转换器使用40 V eGaN FET EPC2014和EPC2015。

为了进行正确和准确的测量,EPC建议严格遵循演示板快速入门指南中提供的说明。

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