如何使用氮化鎵第四章：在高頻降壓轉(zhuǎn)換器的氮化鎵場效應(yīng)晶體管（eGaN FET）

我們在之前章節(jié)談?wù)摿耸褂?strong>氮化鎵場效應(yīng)晶體管在驅(qū)動器及版圖方面的考慮因素從而提高性能。本章我們會探討在高頻降壓轉(zhuǎn)換器使用最優(yōu)版圖并在1 MHz頻率開關(guān)時可實(shí)現(xiàn)高于96%效率。

降壓轉(zhuǎn)換器縱然具備最優(yōu)電路版圖，如果沒有把電源器件的反向傳導(dǎo)降至最低，不必要的功率損耗仍然可以發(fā)生。這種體二極管的反向傳導(dǎo)在上方器件與下方器件傳導(dǎo)時的死區(qū)時間內(nèi)出現(xiàn)，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(qū)時間所帶來的影響

在降壓轉(zhuǎn)換器當(dāng)上方及下方器件同時處于斷開狀態(tài)時(死區(qū)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(yīng)晶體管。從圖1降壓轉(zhuǎn)換器的典型開關(guān)波形圖可以看到體二極管在死區(qū)時間的反向?qū)〞r段。在這個周期內(nèi)，體二極管的正向壓降將引致功率損耗，并以此程式代表：

其中ID是二極管電流、VF是體二極管正向壓降及tD是每段開關(guān)時間TSW的二極管總傳導(dǎo)時間(兩側(cè))。當(dāng)開關(guān)頻率上升，死區(qū)時間的開關(guān)損耗的影響將更形重要，尤其是在大電流、低輸出電壓的應(yīng)用中，因為更高損耗及更低輸出功率級增大了死區(qū)時間內(nèi)二極管傳導(dǎo)損耗對效率的影響。

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圖1：降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)波形圖展示死區(qū)時間的二極管傳導(dǎo)

對于降壓轉(zhuǎn)換器來說，死區(qū)時間并不自然而然地相等于二極管的傳導(dǎo)損耗。在開關(guān)節(jié)點(diǎn)的后緣，如果死區(qū)時間足夠，負(fù)載電流將從開關(guān)節(jié)點(diǎn)自換向至接地，這將允許底部器件實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)而開啟，從而減少開關(guān)損耗。自換向的速度要看負(fù)載電流及它對死區(qū)時間的影響(見圖2)。長死區(qū)時間在小電流時將允許自換向，因此提高輕負(fù)載效率，但在重負(fù)載時將增加二極管傳導(dǎo)及損耗。相反地，短死區(qū)時間將把滿負(fù)載效率提升至最高點(diǎn)，但因輕負(fù)載具零電壓開關(guān)損耗從而增加開關(guān)損耗。對于前緣來說，很少依賴負(fù)載電流，而把死區(qū)時間減至最短可把二極管傳導(dǎo)降至最少。

圖2：負(fù)載電流對下降緣二極管傳導(dǎo)的影響與恒常死區(qū)時間比較。紅圈部分代表場效應(yīng)晶體管體二極管在傳導(dǎo)時的區(qū)域

加入肖特基二極管

圖3展示了一個工作在1 MHz頻率、12 V轉(zhuǎn)1.2 V的降壓轉(zhuǎn)換器，只要在每個死區(qū)時間距離增加5 ns(每周期的二極管總傳導(dǎo)的10 ns)，與優(yōu)化后的死區(qū)時間相比(沒有二極管傳導(dǎo))，可以降低轉(zhuǎn)換器效率超過一個百份點(diǎn)。在這低壓下，加入一個肖特基二極管可有效地減低氮化鎵場效應(yīng)晶體管(eGaN FET)的二極管損耗。這是因為氮化鎵場效應(yīng)晶體管具備三個重要特性：

1。沒有反向恢復(fù)損耗，就算部分電流換向至肖特基二極管也可減少有效的二極管壓降及減少損耗。

2。氮化鎵場效應(yīng)晶體管的較高二極管正向電壓使它的二極管電壓與肖特基二極管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管，將把電流換向環(huán)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管可去除潛在的二極管傳導(dǎo)損耗達(dá)70%。就算尺寸過小，電流仍然可以換向至肖特基二極管及提升效率。

圖3：在降壓轉(zhuǎn)換器效率方面，1 A肖特基二極管對死區(qū)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(qū)時間縮至最短

如果加入肖特基二極管可改善降壓轉(zhuǎn)換器的效率，把死區(qū)時間傳導(dǎo)降至最少可更有效。最理想是采用自適應(yīng)式死區(qū)時間方法來控制依賴負(fù)載電流的死區(qū)時間，但只可以在非常高頻、低壓應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)這個要求速度及復(fù)雜度的方法。一般來說，比較簡單的方法是在開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升緣及下降緣選擇恒定的死區(qū)時間(如圖2(b)所示)。這個簡易方法提供與自適應(yīng)方法一樣的重負(fù)載效率，但在大約15%額定負(fù)載以下會降低效率。宜普公司的開發(fā)板配備簡單的恒定死區(qū)時間電路，使用邏輯及RCD延時snubbers(如圖4所示)。實(shí)現(xiàn)這個死區(qū)時間也無需高側(cè)驅(qū)動器調(diào)節(jié)。

圖4：基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管、采用恒定死區(qū)時間的簡單電路圖

實(shí)驗性研究結(jié)果

宜普公司為實(shí)現(xiàn)恒定死區(qū)時間控制及最優(yōu)版圖，構(gòu)建了演示板EPC9107，給28 V轉(zhuǎn)3.3 V降壓轉(zhuǎn)換器并工在1 MHz頻率及具15 A最高輸出電流。我們構(gòu)建該轉(zhuǎn)換器版圖與功率模塊差不多，在1/4 立方英寸的尺寸內(nèi)包含全功率級。 圖5展示開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖，并展示在28 V輸出電壓、只有10%的過沖時在一納秒范圍內(nèi)的開關(guān)速度。前緣死區(qū)時間減至最短至差不多接近零時把約10 A負(fù)載的后緣死區(qū)時間也減至最短。這是把輕負(fù)載效率的影響減至1 A以下之同時在滿負(fù)載時增加二極管傳導(dǎo)時間約4納秒。 圖6展示這個降壓轉(zhuǎn)換器的效率，并與具相同規(guī)格、基于MOSFET器件的零電壓開關(guān)功率模塊進(jìn)行比較。雖然零電壓開關(guān)可提高效率及工作在2/3開關(guān)頻率，基于MOSFET的轉(zhuǎn)換器仍然比基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的硬開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器的效率低出1.5 %至3%。

圖5：使用氮化鎵場效應(yīng)晶體管、28 V轉(zhuǎn)3.3 V、15 A、工作于1 MHz頻率的降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形圖

圖6：基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的硬開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器與基于MOSFET器件軟開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器的效率的比較

結(jié)論

本章討論了死區(qū)時間對高頻降壓轉(zhuǎn)換器的影響及如何緩和影響的方法。我們實(shí)現(xiàn)了一個簡單的方法，使用恒定死區(qū)時間，工作在1 MHz頻率的基于氮化鎵場效應(yīng)晶體管的降壓轉(zhuǎn)換器與基于MOSFET器件的軟開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器相比，前者工作在接近相同的開關(guān)頻率下可大大改善效率。

eGaN是宜普電源轉(zhuǎn)換公司的注冊商標(biāo)。