在高頻降壓轉換器的氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)

我們會探討在高頻降壓轉換器使用最優版圖並在1 MHz頻率開關時可實現高於96%效率。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/226795.htm

降壓轉換器縱然具備最優電路版圖，如果沒有把電源器件的反向傳導降至最低，不必要的功率損耗仍然可以發生。這種體二極體的反向傳導在上方器件與下方器件傳導時的死區時間內出現，我們將闡釋這個影響效率的原因及提供可簡單地把損壞降至最低的方法。

死區時間所帶來的影響

在降壓轉換器當上方及下方器件同時處於斷開狀態時(死區時間)，能源將從輸出電感器以反方向流過下方的氮化鎵場效應電晶體。從圖1降壓轉換器的典型開關波形圖可以看到體二極體在死區時間的反嚮導通時段。在這個周期內，體二極體的正向壓降將引致功率損耗，並以此程式代表：

其中ID是二極體電流、VF是體二極體正向壓降及tD是每段開關時間TSW的二極體總傳導時間(兩側)。當開關頻率上升，死區時間的開關損耗的影響將更形重要，尤其是在大電流、低輸出電壓的應用中，因為更高損耗及更低輸出功率級增大了死區時間內二極體傳導損耗對效率的影響。

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圖1：降壓轉換器開關波形圖展示死區時間的二極體傳導

對於降壓轉換器來說，死區時間並不自然而然地相等於二極體的傳導損耗。在開關節點的後緣，如果死區時間足夠，負載電流將從開關節點自換向至接地，這將允許底部器件實現零電壓開關(ZVS)而開啟，從而減少開關損耗。自換向的速度要看負載電流及它對死區時間的影響(見圖2)。長死區時間在小電流時將允許自換向，因此提高輕負載效率，但在重負載時將增加二極體傳導及損耗。相反地，短死區時間將把滿負載效率提升至最高點，但因輕負載具零電壓開關損耗從而增加開關損耗。對於前緣來說，很少依賴負載電流，而把死區時間減至最短可把二極體傳導降至最少。

圖2：負載電流對下降緣二極體傳導的影響與恆常死區時間比較。紅圈部分代表場效應電晶體體二極體在傳導時的區域

加入肖特基二極體

圖3展示了一個工作在1 MHz頻率、12 V轉1.2 V的降壓轉換器，只要在每個死區時間距離增加5 ns(每周期的二極體總傳導的10 ns)，與優化後的死區時間相比(沒有二極體傳導)，可以降低轉換器效率超過一個百份點。在這低壓下，加入一個肖特基二極體可有效地減低氮化鎵場效應電晶體(eGaN FET)的二極體損耗。這是因為氮化鎵場效應電晶體具備三個重要特性：

1。沒有反向恢復損耗，就算部分電流換向至肖特基二極體也可減少有效的二極體壓降及減少損耗。

2。氮化鎵場效應電晶體的較高二極體正向電壓使它的二極體電壓與肖特基二極體的電壓之間的差別更大，從而加快電流換向速度。

3。具備低封裝電感而配以具低電感的肖特基二極體，將把電流換向環路電感降至最低，也加快電流換向的速度。

從圖3測量出的效率可看到如果使用正確的尺寸，增加一個肖特基二極體可去除潛在的二極體傳導損耗達70%。就算尺寸過小，電流仍然可以換向至肖特基二極體及提升效率。

圖3：在降壓轉換器效率方面，1 A肖特基二極體對死區時間損耗的影響

(VIN=12 V, VOUT=1.2 V, Fs=1 MHz, L=150 nH, eGaN FET: T: EPC2015 SR: EPC2015, MOSFET: T: BSZ097N04LSG SR: BSZ040N04LSG).

把死區時間縮至最短

如果加入肖特基二極體可改善降壓轉換器的效率，把死區時間傳導降至最少可更有效。最理想是採用自適應式死區時間方法來控制依賴負載電流的死區時間，但只可以在非常高頻、低壓應用中可實現這個要求速度及複雜度的方法。一般來說，比較簡單的方法是在開關節點的上升緣及下降緣選擇恆定的死區時間(如圖2(b)所示)。這個簡易方法提供與自適應方法一樣的重負載效率，但在大約15%額定負載以下會降低效率。宜普公司的開發板配備簡單的恆定死區時間電路，使用邏輯及RCD延時snubbers(如圖4所示)。實現這個死區時間也無需高側驅動器調節。

圖4：基於氮化鎵場效應電晶體、採用恆定死區時間的簡單電路圖

實驗性研究結果

宜普公司為實現恆定死區時間控制及最優版圖，構建了演示板EPC9107，給28 V轉3.3 V降壓轉換器並工在1 MHz頻率及具15 A最高輸出電流。我們構建該轉換器版圖與功率模塊差不多，在1/4 立方英寸的尺寸內包含全功率級。 圖5展示開關節點波形圖，並展示在28 V輸出電壓、只有10%的過衝時在一納秒範圍內的開關速度。前緣死區時間減至最短至差不多接近零時把約10 A負載的後緣死區時間也減至最短。這是把輕負載效率的影響減至1 A以下之同時在滿負載時增加二極體傳導時間約4納秒。 圖6展示這個降壓轉換器的效率，並與具相同規格、基於MOSFET器件的零電壓開關功率模塊進行比較。雖然零電壓開關可提高效率及工作在2/3開關頻率，基於MOSFET的轉換器仍然比基於氮化鎵場效應電晶體的硬開關降壓轉換器的效率低出1.5 %至3%。

圖5：使用氮化鎵場效應電晶體、28 V轉3.3 V、15 A、工作於1 MHz頻率的降壓轉換器的開關節點波形圖

圖6：基於氮化鎵場效應電晶體的硬開關降壓轉換器與基於MOSFET器件軟開關降壓轉換器的效率的比較

結論

本章討論了死區時間對高頻降壓轉換器的影響及如何緩和影響的方法。我們實現了一個簡單的方法，使用恆定死區時間，工作在1 MHz頻率的基於氮化鎵場效應電晶體的降壓轉換器與基於MOSFET器件的軟開關降壓轉換器相比，前者工作在接近相同的開關頻率下可大大改善效率。

eGaN是宜普電源轉換公司的註冊商標。