高能氮化鎵 + 數位控制 + 高效能磁性元件設計一款超薄、高效能 (>97%)、多級直流轉直流轉換器

技術分享雜談GaN技術 – Renee Yawger 四月 07, 2021

基於氮化鎵 (GaN) 的解決方案結合數位控制和高性能磁性材料，可以提高效率、縮小尺寸並降低高密度計算應用（如超薄筆記型電腦和高端遊戲系統）的系統成本。

在過去的十年裡，隨著計算機、顯示器、智能手機和其他消費電子系統變得越來越薄和強大，對於在有限空間內提取更多功率的需求日益增加，並且需要解決更薄解決方案的挑戰。

多層級轉換器是一個縮小磁性元件尺寸並實現高效率的卓越候選方案。利用 eGaN^® FETs 的優勢，如小尺寸和低損耗，進一步提升多層級解決方案的性能。本博客將評估 EPC9148，一款使用 eGaN FETs 和數位控制的 48 V 到 20 V、250 W 三層級轉換器，實現了 97.8% 的峰值系統效率和僅 4.1 mm 的元件高度。

為什麼選擇數位控制？

全數位控制由於其靈活性，超薄轉換器設計採用數位控制，這在開發複雜控制方案中特別有效。基於補償控制器的電流和電壓環路控制以及各種電路保護功能可以輕鬆地通過數位方式管理。而這些控制器的高時間解析度允許最佳的死區時間管理，GaN 的死區時間可在 10 ns 以內，遠低於矽 MOSFET 及其控制器/驅動器。

數位控制還能夠使用 GaN 兼容的閘極驅動器，這些驅動器具有強大的驅動強度以實現快速開關以及高側閘極電壓箝位以防止閘極過電壓。

EPC9148 配備 Microchip Technology 的 dsPIC33CK32MP102 數位信號控制器 (DSC)。這款 100 MHz 單核心設備配備了專為開關模式電源 (SMPS) 應用設計的專用周邊模組，如功能豐富的 4 通道 (8x 輸出) 250 ps 解析度的脈寬調制 (PWM) 邏輯、三個 3.5 Msps 類比數位轉換器 (ADC)、三個具有整合數位類比轉換器 (DAC) 支持斜坡信號生成的 15 ns 傳播延遲類比比較器、三個運算放大器以及用於高性能實時控制應用的數位信號處理 (DSP) 核心，具有緊密耦合的數據路徑。dsPIC33CK 設備用於驅動和控制轉換器，完全以數位方式執行反饋環路。

基於 eGaN-FET 的三層級轉換器設計

如右圖所示，EPC9148 eGaN-FET 基於三層級降壓轉換器的簡化原理圖以及同步引導電路。該電路在佔空比低於 50% 時具有三種工作模式：1) 通過 Q1 和 Q3，輸入電壓為飛行電容和負載電感充電；2) 通過 Q2 和 Q4，飛行電容放電，同時負載電感充電；3) 通過 Q3 和 Q4（在死區時間內通過其中一個的等效體二極管和另一個的通道，或者通過兩個 FET 的通道），電感電流放電。穩態運行遵循 1→3→2→3 的循環。輸出電感器看到的有效頻率是 FET 開關頻率的兩倍，這允許使用比傳統同步降壓轉換器所需的電感值更低的電感值。轉換器的開關頻率優化為 400 kHz，使得電感器看到的有效頻率為 800 kHz，足夠高以允許使用 Wurth 7443762504022，一個 4.1 mm 高、2.2 μH 的電感，同時保持低開關損耗，因此具有高總體效率和良好的熱性能。採用了確保上 FET 充足閘極電壓（>4.5 V）的級聯同步引導電路。使用數位控制器實現了三個控制環路，分別調節輸出電壓、輸出電流和飛行電容電壓。飛行電容電壓應始終保持在輸入電壓的一半，以避免任何 FET 的過壓並確保電路正常運行。

三層級降壓轉換器的高性能 eGaN FET

在 EPC9148 設計中，Q1 在飛行電容電壓建立之前阻擋 48 V 輸入電壓。由於 Q2-Q4 僅需阻擋輸入電壓的一半，因此它們只需額定 24 V。因此，選擇了額定 100 V 的 EPC2053，其 R_DS(on) 為 3.8 mΩ 和額定 40 V 的 EPC2055，其 R_DS(on) 為 3.5 mΩ 分別用於 Q1 和 Q2-Q4。這兩個 eGaN FET 都體積小巧，並且可以在高達 150°C 的結溫下運行。

性能評估

建立了 EPC9148 三層級降壓轉換器以驗證多層級設計。包括電路板在內的電路總厚度僅為 5 mm。電路在無強制空氣的情況下測試到 12.5 A 的輸出電流，在 25°C 環境下的最大溫升為 40°C。電容電壓在充電和放電階段均保持平衡。三層級轉換器在 20 V 輸出和 800 LFM 強制空氣下的整體功率效率達到 97.8% 的峰值效率。在 4 A 負載電流以上時，效率保持在 97% 以上。在 12 V 輸出和 800 LFM 強制空氣下的整體功率效率達到 97% 的峰值效率。這一切都在 5 mm 的高度限制內實現。

結論

基於 GaN-FET 的多層級降壓拓撲結合數位控制和高性能磁性材料，可以用於設計超薄和高效的 DC-to-DC 轉換器。使用 eGaN FETs 建造的 48 V 到 20 V、250 W 三層級降壓轉換器實現了 97.8% 的峰值效率和僅 5 mm 的總厚度。多層級拓撲允許使用低電感值的薄電感。eGaN FETs 不僅通過其小巧的佔地面積減少了面積，還通過其快速開關能力提高了總體功率效率。