【導(dǎo)讀】工程師常常認(rèn)為當(dāng)應(yīng)用需要更高電壓時(shí)，使用氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN FET)在性能方面才更具優(yōu)勢(shì)。但是，如果只是考慮開關(guān)品質(zhì)因數(shù)，相比先進(jìn)的MOSFET器件，200V的eGaN FET器件的優(yōu)勢(shì)好像減弱了。GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管與硅功率器件中低壓降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的性能到底怎樣？且聽本文細(xì)細(xì)分析。
工程師常常認(rèn)為當(dāng)應(yīng)用需要更高電壓時(shí)，使用氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN FET)在性能方面更具優(yōu)勢(shì)。但我們從硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Silicon FET)及氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)品質(zhì)因數(shù)(FOM)與電壓關(guān)系的比較可以看到，eGaN FET在整個(gè)電壓范圍內(nèi)具備更大優(yōu)勢(shì)。如果只是考慮開關(guān)品質(zhì)因數(shù)，相比先進(jìn)的MOSFET器件，200V的eGaN FET器件的優(yōu)勢(shì)好像減弱了。
可是，由于eGaN FET器件并沒有體二極管反向恢復(fù)(QRR)，其實(shí)際在電路的性能優(yōu)勢(shì)可以更大。相反，在低電壓范圍內(nèi)，eGaN FET器件在電路的性能優(yōu)勢(shì)實(shí)際上沒有如品質(zhì)因數(shù)所描述的卓越，這是因?yàn)槭躋RR影響的重要性減弱及體二極管前向壓降更為重要。此外，當(dāng)我們所需器件的電壓降低至低于目前eGaN FET的電壓范圍，硅基開關(guān)解決方案如基于LDMOS的器件(帶或不帶垂直端子)將成為可行的另一個(gè)選擇。可是，eGaN FET的發(fā)展還在剛剛起步，它將來在低壓及高壓領(lǐng)域?qū)⑼瑯泳吒咝阅軆?yōu)勢(shì)。下面我們將討論兩個(gè)具有不同電壓轉(zhuǎn)換范圍的降壓轉(zhuǎn)換器，并對(duì)它們與等效先進(jìn)MOSFET器件的性能進(jìn)行比較。
圖1：硅MOSFET及氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的品質(zhì)因數(shù)與電壓關(guān)系的比較
低壓降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用
很多負(fù)載點(diǎn)(POL)應(yīng)用適合用于工作電壓為5V或12V電源軌的降壓轉(zhuǎn)換器。在更低電壓及小電流的情況下，功率MOSFET可以單片地集成，而在大電流 及高壓下，混合功率模塊及分立解決方案則非常普遍。按不同的負(fù)載要求，典型的電流值為每相20A，雖然單相的輸出功率也有可能高達(dá)40A。在較大的負(fù)載電 流要求如電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)，我們使用交織的多相降壓來提高效率及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前逐步發(fā)展的V-core功率架構(gòu)及其它敏感的負(fù)載所要求的更快動(dòng)態(tài)響應(yīng)及更高頻寬都會(huì)影響基于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的負(fù)載點(diǎn)解決方案的普及速度。在可實(shí)現(xiàn)的MHz開關(guān)頻率范圍內(nèi)推動(dòng)使用更小電感及電容，因此可實(shí)現(xiàn)更小型、具更低系統(tǒng)成本的、基于eGaN FET的負(fù)載點(diǎn)系統(tǒng)。使用電池的便攜應(yīng)用(10V~12V)規(guī)定必需符合最小效率要求，但同時(shí)需要一個(gè)外置適配器使之可以工作在19V及工作在設(shè)計(jì)的熱限制下。19V輸入需要30V或以上的MOSFET器件。雖然負(fù)載電壓不同，但我們通常在1.2V輸出電壓對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較。
我們使用含eGaN FET的演示板(EPC9101)與使用相同降壓控制器的含MOSFET演示板(DC1640A-B)進(jìn)行比較，后者經(jīng)過修改，以匹配前者的輸入及輸出電容、電感及工作頻率。此外，所采納的MOSFET也改為與eGaN FET具相同導(dǎo)通電阻(RDS(ON))。測(cè)試電路板的照片如圖2所示。我們通過使用電路板上的電壓感應(yīng)通孔，測(cè)量盡量接近實(shí)際轉(zhuǎn)換器電路的輸入及輸出電壓，測(cè)量結(jié)果見圖3。由于這個(gè)應(yīng)用關(guān)注eGaN FET的體二極管具更高前向電壓，當(dāng)首次測(cè)量效率時(shí)，死區(qū)時(shí)間增加至包括大約在每個(gè)開關(guān)邊緣(每個(gè)周期為20ns)的10ns體二極管傳導(dǎo)。此外，EPC2015器件與3A肖特基二極管并聯(lián)，并再次測(cè)量其效率。根據(jù)這些測(cè)量條件，圖4及5分別展示12V及19V輸入效率的結(jié)果。
圖2：在低壓降壓轉(zhuǎn)換器使用EPC9101及經(jīng)過修改的DC1640A-B演示板的比較
圖3：所選的低壓降壓轉(zhuǎn)換器規(guī)格的比較
圖4：在12 V轉(zhuǎn)1.2V、1MHz降壓轉(zhuǎn)換器，eGaN FET與MOSFET器件效率的比較
圖5：在19V轉(zhuǎn)1.2V、1MHz降壓轉(zhuǎn)換器，eGaN FET與MOSFET器件效率的比較
在輸入電壓范圍內(nèi)，每個(gè)周期中的二極管導(dǎo)通時(shí)間增加20ns將使基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器效率降低約2%至3%。可是在輕載時(shí)(低于3A)，效率實(shí)際上會(huì)稍為提高，因?yàn)檫@種額外死區(qū)時(shí)間可容許交換節(jié)點(diǎn)電壓的自我轉(zhuǎn)換。為了獲得最佳的滿負(fù)載工作性能而使用短死區(qū)時(shí)間意味著在輕載時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。
使用額外增加的肖特基二極管極大地提高了效率，其效果差不多相等于優(yōu)化開關(guān)時(shí)間。在所有的測(cè)試工作條件下，基于eGaN FET轉(zhuǎn)換器的效率比使用等效MOSFET電路的轉(zhuǎn)換器高出3至7個(gè)百分點(diǎn)。實(shí)際上，相比等效MOSFET于12V輸入時(shí)的效率，經(jīng)過優(yōu)化的eGaN FET工作在19V輸入時(shí)具備更高的效率。
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中壓降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用
對(duì)于超出30V MOSFET性能的更高電壓來說，應(yīng)用空間會(huì)有所變化，并且沒有特別的大批量應(yīng)用。幾乎所有電信轉(zhuǎn)換器都使用-48V電源，因此要求針對(duì)步降至+12V或+24V總線進(jìn)行隔離；而計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般都使用+48V的總線，因此只是當(dāng)沒有強(qiáng)制性隔離要求才有可能使用降壓轉(zhuǎn)換器。無論是否實(shí)際應(yīng)用，在中壓范圍內(nèi)，MOSFET與eGaN FET可以通過考慮如圖7所示的通用降壓應(yīng)用作出比較。
我們使用兩個(gè)中壓降壓轉(zhuǎn)換器演示板來比較eGaN FET及MOSFET器件的性能。兩塊標(biāo)準(zhǔn)的演示電路都已修改為具有相同輸入及輸出電容、電感及工作頻率。圖6展示兩塊測(cè)試電路板的照片。于低壓轉(zhuǎn)換器的比較一樣，MOSFET器件也改為與eGaN FET具有相同導(dǎo)通電阻。為確保取得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，我們通過使用所增加的通孔來測(cè)量輸入及輸出電壓，以盡量接近實(shí)際轉(zhuǎn)換器的輸入及輸出電壓，測(cè)量結(jié)果見圖7
圖6：用于中壓降壓轉(zhuǎn)換器并經(jīng)過修改內(nèi)含LM5113及LM5116演示板的比較
圖7：所選的中壓降壓轉(zhuǎn)換器規(guī)格的比較
圖8及9分別展示效率結(jié)果及相對(duì)的功率損耗結(jié)果。測(cè)量點(diǎn)在輸出電流達(dá)10安培時(shí)或在轉(zhuǎn)換器的總功率損耗達(dá)10W時(shí)比較，要看那一點(diǎn)首先出現(xiàn)。結(jié)果清楚地表明，相比MOSFET器件，eGaN FET在效率方面極大地提高了4至8個(gè)百分點(diǎn)。更重要的是，當(dāng)基于MOSFET器件的轉(zhuǎn)換器的功率損耗達(dá)10W時(shí)，基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器的損耗小于前者的一半,致使轉(zhuǎn)換器的功率損耗減少超過50%。這些損耗包括非器件損耗如電感磁芯及銅損耗，因此減少了的器件損耗實(shí)際上更大。同樣地，由于基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器的死區(qū)時(shí)間設(shè)置為給重負(fù)載而經(jīng)過優(yōu)化，它的零電壓開關(guān)的損耗構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的無負(fù)載損耗。
圖8：在36V-60V轉(zhuǎn)12V、500kHz降壓轉(zhuǎn)換器，氮化鎵與MOSFET器件的效率比較
圖9：在36V-60V轉(zhuǎn)12V、500kHz降壓轉(zhuǎn)換器，氮化鎵與MOSFET器件的功率損耗比較
本文描述了我們構(gòu)建可比的、在低壓及中壓應(yīng)用使用商用的eGaN FET及MOSFET展示板電路的降壓轉(zhuǎn)換器。兩塊板都經(jīng)過修改為具有相同導(dǎo)通電阻，從而取得可比的傳導(dǎo)損耗。使用氮化鎵器件可大大提高低壓及中壓的轉(zhuǎn)換 器的效率達(dá)3至8個(gè)百分點(diǎn)，這個(gè)效率方面的改進(jìn)在中壓轉(zhuǎn)換器的比較結(jié)果更為明顯。結(jié)果表明，相比直向MOSFET器件，在電壓低至最小30V，eGaN FET具備更卓越的性能。當(dāng)這個(gè)氮化鎵新科技繼續(xù)改進(jìn)，它的性能將在所有的電壓范圍遙遙領(lǐng)先并可以在更低壓的領(lǐng)域替代MOSFET器件。
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