使用最新一代100 V eGaN FET構建最小、最具成本效益、最高效率的非隔離式48 V到5 - 12 V DC-DC轉換器

技術分享雜談GaN技術 – Rick Pierson 四月 24, 2019

新興的計算應用需要更強大的功能和更小的外形尺寸。除了伺服器市場日益增長的需求外，一些最具挑戰性的應用是多用戶遊戲系統、自動駕駛汽車和人工智慧。這些應用正在產生對DC-DC轉換器的需求，這些轉換器可以在接近處理器的位置擠進主板。

適合這些高性能計算和電信應用的最小、最具成本效益和最高效率的非隔離48 V至5 - 12 V轉換器，可以通過採用100 V eGaN^® FETs如EPC2045和EPC2053來實現。

EPC9205 DrGaN電源模組，使用EPC2045配置為同步降壓轉換器，在48 V輸入、12 V輸出和10 A負載時，達到1400 W/in³的功率密度。它能夠產生5 V至12 V範圍的輸出電壓並輸送14 A的輸出電流。

對於需要更高電流的應用，配置為同步降壓轉換器的EPC9093 GaN開發板的主要電源階段面積只有10 mm x 9 mm，比其矽等效產品至少小2倍。即使在這樣極小的尺寸下，它仍能產生5 V至12 V範圍的輸出電壓並輸送25 A的輸出電流。

100 V EPC2045 和 EPC2053 eGaN FETs

最新一代的100 V GaN設備提高了效率，縮小了尺寸，並降低了48 V電源轉換的系統成本。EPC2045，如圖1所示，額定電壓為100 V，具有7 mΩ的導通電阻，能夠承載16 A的連續電流。EPC2045的占位面積幾乎是可比矽MOSFET的十分之一，並且具有較低的寄生電容，可以比等效的矽設備更快地開關，即使在更高的開關頻率下也能降低開關損耗。

Figure 1: EPC2045 100 V eGaN FET with 7 mΩ on-resistance

EPC2053，如圖2所示，額定電壓為100 V，具有4 mΩ的導通電阻，能夠承載32 A的連續電流。EPC2053比其矽等效產品具有更低的寄生電容和導通電阻，提供更快的開關速度和更低的功率損耗，即使在更高的開關頻率下也是如此。這些特性使得在增加輸出功率的同時縮小轉換器的體積成為可能。

Figure 2: EPC2053 100 V eGaN FET with 4 mΩ on-resistance

展示EPC2045的EPC9205電源模組

Figure 3: EPC9205 development board

EPC9205電源模組，如圖3所示，配置為同步降壓，配備兩個EPC2045 eGaN FETs。EPC9205具有來自uPI Semiconductor Corp的uP1966A半橋門驅動IC，輸入和輸出濾波器，以及電流和溫度感測。eGaN FETs的高頻能力大大降低了濾波需求，允許使用更小尺寸和更低損耗的優化輸出濾波電感。

在48 V降壓至12 V，700 kHz的情況下，EPC9205在10 A負載時達到96%的峰值效率，FET的最高溫度在400 LFM氣流下為100ºC。圖4顯示了12 V負載下至15 A輸出電流的電源效率曲線。相同的EPC9205也能產生低至5 V的輸出電壓。圖5顯示了在500 kHz運行時，5 - 12 V輸出電流負載的效率。

Figure 4: EPC9205 efficiency vs output current for 48 V_IN to 12 V_OUT when operating at 500 kHz

Figure 5: EPC9205 efficiency vs output current for 48 V_IN to 12 V_OUT when operating at 700 kHz

展示EPC2053的EPC9093 GaN開發板

EPC9093開發板，帶有圖6所示的方塊圖配置為同步降壓轉換器，配備兩個EPC2053 eGaN FETs。EPC9093，主電源階段如圖8所示，也具有來自uPI Semiconductor Corp的uP1966A半橋門驅動IC。主要電源階段占地只有10 mm x 9 mm，比等效的矽MOSFET電源階段至少小2倍。