eGaN FET與硅功率器件比拼之六：隔離型PoE-PSE轉(zhuǎn)換器

隔離型磚式轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于電信系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電，這些轉(zhuǎn)換器可以提供各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸及輸入/輸出電壓范圍。它們的模塊性、功率密度、可靠性和多功能性簡(jiǎn)化了隔離式電源應(yīng)用，并在某種程度上商品化了隔離電源市場(chǎng)。這些轉(zhuǎn)換器的一個(gè)共同特點(diǎn)是輸入/輸出功率器件的額定電壓都在100V或以下。然而，市場(chǎng)上的隔離型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用要求具有更高的器件電壓，例如PoE-PSE(以太網(wǎng)供電的供電設(shè)備)。這些轉(zhuǎn)換器更能受益于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(eGaN FET)增高額定電壓所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。本文將構(gòu)建基于eGaN FET的半磚轉(zhuǎn)換器，并與類似的最先進(jìn)硅MOSFET磚式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較。

隔離型PoE-PSE轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介

過(guò)去幾年里，以太網(wǎng)供電(PoE)標(biāo)準(zhǔn)已逐漸形成。主要焦點(diǎn)是在新等級(jí)和新類型的設(shè)備里，功率有系統(tǒng)地增加。根據(jù)有關(guān)以太網(wǎng)供電的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，供電設(shè)備(PSE)要求PoE Type 1的輸出電壓在44V至57V之間，PoE Type 2(PoE+)的輸出電壓在50V至57V之間。以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)的每個(gè)端口都必須能夠輸出15.4W(Type 1)或25.5W(Type 2)功率。對(duì)供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，輸出要求某種形式的穩(wěn)壓，但是無(wú)需進(jìn)行嚴(yán)格的穩(wěn)壓。有趣的是，最低電壓的增加是因功率電平增加而增加了最大線性壓降，未來(lái)供電設(shè)備則可能要求接近最大值57V的更小電壓范圍。對(duì)于具有24、36或48個(gè)端口的典型以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，其要求的總供電設(shè)備的功率可能高達(dá)1.2kW。這便推動(dòng)了對(duì)更高效率和更高功率密度的轉(zhuǎn)換器的需求。

由于這些磚式轉(zhuǎn)換器具有規(guī)定尺寸限制，工程師不斷嘗試?yán)脛?chuàng)新方法來(lái)提高它們的輸出功率和功率密度。雖然這些想法很多并且千變?nèi)f化，卻都只是與提高系統(tǒng)效率有關(guān)。這是由于轉(zhuǎn)換器的固定體積和散熱方法而構(gòu)成的物理限制。對(duì)于半磚轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，很難除去超過(guò)35W的損耗，即使是使用強(qiáng)大的氣流和/或基板。圖1顯示了在半磚轉(zhuǎn)換器所要求的最小滿負(fù)荷效率與可實(shí)現(xiàn)的輸出功率之間的關(guān)系。因?yàn)榇蠖鄶?shù)商用的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器已經(jīng)具有95%效率，所以即使是半個(gè)百分點(diǎn)效率的改進(jìn)也很重要，并可以使輸出功率再額外增加約100W。然而，每瓦的成本($/W)是最重要的考慮因素，提高磚式轉(zhuǎn)換器效率及輸出功率可以減少模塊每瓦的總成本。

圖1：半磚轉(zhuǎn)換器達(dá)到指定輸出功率時(shí)所需的最低效率(假設(shè)最大功耗為35W)。

比較不同的隔離型PoE-PSE轉(zhuǎn)換器

在嘗試比較半磚PoE-PSE轉(zhuǎn)換器時(shí)，不可能進(jìn)行簡(jiǎn)單的一對(duì)一比較，因?yàn)椴煌纳逃棉D(zhuǎn)換器具有非常多樣化設(shè)計(jì)。每一代電源的輸出功率都有所提高，因?yàn)橹圃焐痰?ldquo;最優(yōu)”設(shè)計(jì)都在結(jié)構(gòu)、版圖和拓?fù)涞确矫孢M(jìn)行了改進(jìn)。要確定“最佳”解決方案是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，而“最佳”解決方案的定義也不盡相同，進(jìn)一步增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。半磚應(yīng)用的設(shè)計(jì)是多樣化的，一個(gè)極好的例子是選擇搭建兩個(gè)交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器還是搭建單個(gè)轉(zhuǎn)換器。另外，目前的商用產(chǎn)品都有使用單級(jí)轉(zhuǎn)換或兩級(jí)轉(zhuǎn)換的方法。

對(duì)于較大的磚塊尺寸(比如半磚尺寸)，其輸出功率和轉(zhuǎn)換器的總功耗足夠地高，以致每個(gè)開(kāi)關(guān)通常要求使用多個(gè)功率器件——從所需熱管理的角度，及最小導(dǎo)通電阻(最大晶片尺寸)的角度來(lái)看也是一樣。如果轉(zhuǎn)換器被劃分為兩個(gè)(每個(gè)負(fù)責(zé)一半的功率)，那么功率器件的總數(shù)量將不會(huì)受到影響。使用更多電感和變壓器的成本和體積增加也有問(wèn)題，因?yàn)檫@些器件更小，并且轉(zhuǎn)換器的交錯(cuò)可允許輸出電容減小。此外，磚塊的尺寸(特別是高度的限制)意味著單個(gè)大功率變壓器的高度受限，與兩個(gè)較小變壓器的磁芯相比，其磁芯通道的長(zhǎng)度可能不是最優(yōu)。其余的差異(柵極驅(qū)動(dòng)和控制)將有可能成為決定性的因素，也就是說(shuō)，我們能否接受增加成本來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的效率及輸出功率？

就像八分之一磚式轉(zhuǎn)換器那樣，開(kāi)發(fā)基于eGaN FET轉(zhuǎn)換器不一定是一般的最優(yōu)解決方案。相比目前的商用系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是把工作頻率提高許多，用于展示eGaN器件能夠幫助擅長(zhǎng)于電源設(shè)計(jì)的工程師開(kāi)發(fā)出具有更高效率和更高輸出功率的最先進(jìn)的新一代產(chǎn)品。

基于原型eGaN FET的PSE轉(zhuǎn)換器

針對(duì)48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器，可以選擇采用全橋同步整流器(FBSR)拓?fù)涞南嘁迫珮?PSFB)轉(zhuǎn)換器(如圖2所示)。由于功率較高，在半磚體積中構(gòu)建了兩個(gè)交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個(gè)轉(zhuǎn)換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產(chǎn)生的復(fù)雜性，而且使用兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器理論上允許通過(guò)切相來(lái)提高輕載時(shí)的效率。圖3顯示了一相和兩相工作時(shí)的效率結(jié)果，其中采用簡(jiǎn)單切相時(shí)的輕載效率提高了至少2%。

每個(gè)轉(zhuǎn)換器的工作頻率為250kHz，其輸出紋波頻率為1MHz。圖4顯示了更完整的原理圖。其目的是要顯示由于開(kāi)關(guān)頻率的提高和氮化鎵器件的尺寸相對(duì)較小，可以在有限的體積中構(gòu)建兩個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著，當(dāng)VIN為60V時(shí)，副邊繞組電壓(不包括開(kāi)關(guān)尖峰)大約為105V，因此，副邊可以使用200V的器件，原邊則可以使用100V的器件。

基于eGaN FET的實(shí)際原型見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)磚式設(shè)計(jì)不同，磁性元件沒(méi)有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個(gè)獨(dú)立的印刷電路板上。這樣不僅能夠減少主印刷電路板所需的層數(shù)，而且允許輸出濾波器使用傳統(tǒng)的表面貼裝電感。轉(zhuǎn)換器使用八層、每層兩盎司銅的印刷電路板。變壓器繞組是通過(guò)在繞組窗口層疊兩個(gè)八層電路板(并聯(lián))而創(chuàng)建的。

圖2：使用eGaN FET實(shí)現(xiàn)全橋同步整流(FBSR)(兩個(gè)半磚、交錯(cuò)式250kHz轉(zhuǎn)換器)的350W全穩(wěn)壓的相移全橋(PSFB)拓?fù)洹?/i>

圖3：采用基于eGaN FET原型設(shè)計(jì)的半磚PSE轉(zhuǎn)換器在單相(一半轉(zhuǎn)換器斷電)和正常兩相工作時(shí)的效率數(shù)據(jù)。

圖4：采用eGaN FET設(shè)計(jì)、工作在250kHz開(kāi)關(guān)頻率的八分之一磚式、38 V~60 V至53 V/70W轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖5：采用eGaN FET設(shè)計(jì)的48V至53V半磚PSE轉(zhuǎn)換器的頂視圖和底視圖(單位為英寸)。

PSE轉(zhuǎn)換器的比較

采用eGaN FET設(shè)計(jì)的半磚PSE轉(zhuǎn)換器可以與類似的48V至(約)53V全穩(wěn)壓商用半磚轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行比較。如前所述，這些商用轉(zhuǎn)換器覆蓋了表1所列出的各種拓?fù)浜团渲?。為了重點(diǎn)說(shuō)明基于eGaN FET的原型與這些轉(zhuǎn)換器是如何比較的，本文選擇了兩種產(chǎn)品(表1中的B和D轉(zhuǎn)換器)來(lái)展示全面結(jié)果。

表1：商用半磚PSE轉(zhuǎn)換器的比較。

D轉(zhuǎn)換器是一種傳統(tǒng)的單級(jí)、單變壓器的單轉(zhuǎn)換器，它具有與原型相似的拓?fù)?雖然eGaN FET的原型含有兩個(gè)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器)。圖6和圖7所示的效率比較表明，使用較低開(kāi)關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)輕載效率的優(yōu)勢(shì)，并且通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)磁芯損耗和漏電感則有可能實(shí)現(xiàn)輕載優(yōu)化。相比之下，eGaN FET轉(zhuǎn)換器的磁芯僅是為了實(shí)現(xiàn)最小的漏電感和在75%更高的開(kāi)關(guān)頻率下審慎切換。這樣，雖然輕載時(shí)的效率較低，但在大約50%負(fù)載時(shí)，eGaN FET原型在相似的轉(zhuǎn)換器總損耗及滿負(fù)載條件下將最終產(chǎn)生高出25%的功率(損耗比較見(jiàn)圖6)。

用作比較的第二個(gè)商用的半磚式轉(zhuǎn)換器(B轉(zhuǎn)換器)采用的是兩級(jí)方案。雖然兩級(jí)方案與原型方案不同，但二者都把輸出功率分布到兩個(gè)獨(dú)立且并聯(lián)工作的轉(zhuǎn)換器。兩級(jí)方案的優(yōu)勢(shì)是支持未調(diào)節(jié)隔離級(jí)轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)化，因?yàn)樗ぷ髟诠潭ǖ恼伎毡群碗妷?，與轉(zhuǎn)換器輸入電壓無(wú)關(guān)，同時(shí)，這種受控的輸入/輸出電壓允許使用具有更好品質(zhì)因素的更低額定電壓的器件。其缺點(diǎn)是兩級(jí)電路所帶來(lái)的額外導(dǎo)通損耗，以及復(fù)雜性和器件數(shù)量的增加。

eGaN FET原型和兩級(jí)轉(zhuǎn)換器之間的效率比較如圖8所示。它顯示了產(chǎn)品最優(yōu)化的過(guò)程，因?yàn)樵跇?biāo)稱48V輸入時(shí)達(dá)到了峰值效率。拓?fù)溟g的差異可以通過(guò)比較38V(低壓線)輸入電壓的結(jié)果來(lái)描述：由于兩級(jí)轉(zhuǎn)換器采用了升壓調(diào)節(jié)電路，低壓線電壓實(shí)際上是最差的情況(導(dǎo)通損耗增加，開(kāi)關(guān)損耗沒(méi)有明顯的降低)，而對(duì)傳統(tǒng)的單級(jí)方案來(lái)說(shuō)，低壓線是最好的情況，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)損耗最小。

兩級(jí)轉(zhuǎn)換器在低壓線處的功耗幾乎接近50W(在相同條件下幾乎是eGaN FET轉(zhuǎn)換器的兩倍)(見(jiàn)圖9)，而在75V(高壓線)輸入損耗在工作電壓高出25%時(shí)，則比基于eGaN FET的轉(zhuǎn)換器高出15%。

圖6：eGaN FET原型半磚PSE轉(zhuǎn)換器與D轉(zhuǎn)換器(商用MOSFET解決方案)半磚PSE轉(zhuǎn)換器的效率比較。

圖7：eGaN FET原型與D轉(zhuǎn)換器半磚PSE轉(zhuǎn)換器的功耗比較。

圖8：eGaN FET原型與B轉(zhuǎn)換器半磚PSE轉(zhuǎn)換器的效率比較。

圖9：eGaN FET原型與B轉(zhuǎn)換器半磚PSE轉(zhuǎn)換器的功耗比較。

本文小結(jié)

本章對(duì)采用eGaN FET原型設(shè)計(jì)的全穩(wěn)壓半磚式供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器與類似的MOSFET轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了比較。與可比的先進(jìn)商用轉(zhuǎn)換器相比，eGaN FET原型工作在約高出兩倍的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，性能可以得以充分發(fā)揮。與最接近的商用轉(zhuǎn)換器相比，其輸出功率可以高出100W。

值得注意的是，在磚式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，拓?fù)涞倪x擇和器件的優(yōu)化與選擇最佳功率器件同樣重要。所有擅長(zhǎng)于這些工藝的工程師應(yīng)該能夠進(jìn)一步改善本文所討論的eGaN FET原型的性能。

參考文獻(xiàn)

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