利用開發(fā)板實(shí)現(xiàn)對eGaN FET電源設(shè)計(jì)的評估(圖文)

長期以來，寬帶隙氮化鎵硅（GaN-on-Si）晶體管現(xiàn)已上市。他們被吹捧為取代硅基MOSFET，這對于許多高性能電源設(shè)計(jì)而言效率低下。最近，市場上出現(xiàn)了幾家基于GaN-on-Si的HEMT和FET的供應(yīng)商，其中包括高效電源轉(zhuǎn)換（EPC）。在過去的四年中，該公司一直在擴(kuò)展其商用增強(qiáng)型（常關(guān)）GaN FET或eGaN FET系列。今天，低壓eGaN FET系列中大約有11個成員，超高頻線中大約有8個成員。

這些高性能，寬帶隙晶體管被推薦用于各種高頻高效率，高密度DC/DC轉(zhuǎn)換器和其他針對新興應(yīng)用的電源，如無線功率傳輸，包絡(luò)跟蹤，RF傳輸，太陽能微型逆變器，LiDAR，遙感和D類音頻放大器。為了幫助設(shè)計(jì)人員了解硅功率MOSFET和eGaN FET之間的細(xì)微差別，從而加快其在即將推出的電源解決方案中的應(yīng)用，該公司已經(jīng)為其eGaN FET創(chuàng)建了許多應(yīng)用筆記，白皮書和視頻系列。

什么是此外，為了加快eGAN FET對從硅MOSFET到eGaN FET的電源設(shè)計(jì)的評估，EPC在過去幾年中發(fā)布了幾個開發(fā)板。最新的介紹，包括EPC9022到EPC9030，提供半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和板載柵極驅(qū)動器。它們旨在簡化公司EPC8000系列超高頻，高性能eGaN FET的成員評估。目前，EPC8000系列中有8個成員，每個部分都有相應(yīng)的開發(fā)板，如表1所示。

表1：帶有相應(yīng)開發(fā)板的EPC8000系列（由EPC提供。）這些開發(fā)板尺寸為2英寸x 1.5英寸，包含兩個半橋配置的eGaN FET，帶有板載Texas Instruments柵極驅(qū)動器LM5113電源和旁路電容（圖1）。此外，為了簡化評估，它包含所有關(guān)鍵組件，并采用適當(dāng)?shù)牟季忠詫?shí)現(xiàn)最佳的高頻開關(guān)性能。此外，該電路板設(shè)計(jì)用于提供各種探頭點(diǎn)，以便于簡單的波形測量和效率計(jì)算（圖2）。

圖1：EPC的eGaN FET開發(fā)板的框圖。

圖2：為了便于簡單的波形測量和效率計(jì)算，開發(fā)板提供了各種探測點(diǎn)。例如，EPC9022在一半中使用兩個65 V EPC8002 eGaN FET采用LM5113作為柵極驅(qū)動器的橋接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最小開關(guān)頻率為500 kHz。表1顯示eGaN FET的額定漏源擊穿電壓為65 V，RDS（on）為530mΩ，連續(xù)漏極電流（ID）為25 A，環(huán)境溫度為25°C。使用該電路板，用戶可以測量EPC8002的主要區(qū)別特征，包括給定導(dǎo)通電阻RDS（on），品質(zhì)因數(shù)（FOM），開關(guān)頻率和相關(guān)損耗，輸出電容和封裝電感的柵極電荷QG。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表顯示，對于給定的導(dǎo)通電阻，eGaN FET的柵極電荷遠(yuǎn)低于前沿硅MOSFET。事實(shí)上，根據(jù)EPC，對于給定的擊穿電壓，它可能是最接近的硅MOSFET的五分之一到二十分之一。

同樣，內(nèi)部測試顯示FOM，即RDS（on）x QG，與同類硅MOSFET相比，eGaN晶體管的電壓顯著降低，使設(shè)計(jì)人員能夠在非常高的頻率下硬切換這些FET，同時(shí)保持極低的開關(guān)損耗。

較小的輸出電容是eGaN FET提供的另一個優(yōu)勢。根據(jù)供應(yīng)商的解釋，相同導(dǎo)通電阻的輸出電容可以是類似MOSFET的三分之一到一半。換句話說，它使用一半的電容來傳輸相同的能量，使您的設(shè)計(jì)在物理上更小，以獲得更高的功率密度。

eGaN FET提供的另一個顯著特點(diǎn)是封裝電感。 EPC的eGaN器件采用帶焊條的鈍化模具形式。它采用源極和漏極端子的交叉數(shù)字，以最小化連接電阻和寄生電感。結(jié)果，封裝電感從2.9nH降低到0.4nH，從而進(jìn)一步降低了開關(guān)損耗，從而提高了效率。此外，它還可以最大限度地減少過沖和振鈴。實(shí)際上，電路板布局旨在確保寄生高頻環(huán)路電感最小，因?yàn)榈碗姼懈哳l環(huán)路可降低高峰值電壓和振鈴（圖3）。制造商指出，降低振鈴的設(shè)計(jì)簡化了EMI設(shè)計(jì)。

圖3：正確的電路板布局確保寄生高頻環(huán)路電感最小，從而降低峰值電壓并降低輸出振鈴。

使用這些電路板可以輕松構(gòu)建多個電路，例如高降壓比DC/DC轉(zhuǎn)換器，負(fù)載點(diǎn)（POL）穩(wěn)壓器，D類音頻放大器以及硬開關(guān)和高頻電路并且可以衡量績效。實(shí)際上，為了簡化在功能齊全的工作示例中評估這些器件的過程，EPC還準(zhǔn)備了EPC9101演示板，這是一個1 MHz降壓轉(zhuǎn)換器，具有1.2 VDC輸出，最大輸出電流為20 A，輸入電壓為8至24 VDC電壓范圍。該演示板采用40 V EPC2014和EPC2015 eGaN FET，包括eGaN FET專用柵極驅(qū)動器LM5113和DC/DC控制器LTC3833。在該電路中，40 V EPC2014的額定最大RDS（on）為16mΩ，在25°C環(huán)境溫度下連續(xù)漏極電流為10 A.同樣，40 V EPC2015的最大RDS（on）為4mΩ，在25°C環(huán)境溫度下連續(xù)漏極電流為33 A.雖然EPC9101演示板（圖4）并非用作參考設(shè)計(jì)，但它顯示了使用eGaN FET和eGaN柵極驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)的性能。

圖4 ：EPC9101是一款3英寸方形演示板，包含一個基于40 V eGaN FET EPC2014和EPC2015的全閉環(huán)1 MHz降壓轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)演示板的快速入門指南，EPC9101是3英寸 - 方板，包含一個全閉環(huán)1 MHz降壓轉(zhuǎn)換器。功率級采用單面設(shè)計(jì)，包含在20 x 11 mm范圍內(nèi)，包括驅(qū)動器，eGaN FET，總線電容和輸出電感。該指南還提供了各種探針點(diǎn)，以便于簡單的波形測量和效率計(jì)算。由EPC工程師測量的該電路的典型效率性能如圖5所示。

圖5：EPC9101演示板1的測量效率性能，包括控制器和LDO損耗MHz降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器使用40 V eGaN FET EPC2014和EPC2015。

為了進(jìn)行正確和準(zhǔn)確的測量，EPC建議嚴(yán)格遵循演示板快速入門指南中提供的說明。