eGaN FET與硅功率器件比拼之隔離型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準尺寸及輸入/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。這些轉(zhuǎn)換器的一個共同特點是輸入/輸出功率器件的額定電壓都在100V或以下。然而，市場上的隔離型轉(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效應(yīng)晶體管(eGaN FET)增高額定電壓所帶來的優(yōu)勢。本文將構(gòu)建基于eGaN FET的半磚轉(zhuǎn)換器，并與類似的最先進硅MOSFET磚式轉(zhuǎn)換器進行比較。

隔離型PoE-PSE轉(zhuǎn)換器簡介

過去幾年里，以太網(wǎng)供電(PoE)標準已逐漸形成。主要焦點是在新等級和新類型的設(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標準，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)開關(guān)的每個端口都必須能夠輸出15.4W(Type 1)或25.5W(Type 2)功率。對供電設(shè)備來說，輸出要求某種形式的穩(wěn)壓，但是無需進行嚴格的穩(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，未來供電設(shè)備則可能要求接近最大值57V的更小電壓范圍。對于具有24、36或48個端口的典型以太網(wǎng)開關(guān)來說，其要求的總供電設(shè)備的功率可能高達1.2kW。這便推動了對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，工程師不斷嘗試利用創(chuàng)新方法來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。對于半磚轉(zhuǎn)換器來說，很難除去超過35W的損耗，即使是使用強大的氣流和/或基板。圖1顯示了在半磚轉(zhuǎn)換器所要求的最小滿負荷效率與可實現(xiàn)的輸出功率之間的關(guān)系。因為大多數(shù)商用的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器已經(jīng)具有95%效率，所以即使是半個百分點效率的改進也很重要，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)換器達到指定輸出功率時所需的最低效率(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，不可能進行簡單的一對一比較，因為不同的商用轉(zhuǎn)換器具有非常多樣化設(shè)計。每一代電源的輸出功率都有所提高，因為制造商的“最優(yōu)”設(shè)計都在結(jié)構(gòu)、版圖和拓撲等方面進行了改進。要確定“最佳”解決方案是一個反復(fù)的過程，而“最佳”解決方案的定義也不盡相同，進一步增加了問題的復(fù)雜性。半磚應(yīng)用的設(shè)計是多樣化的，一個極好的例子是選擇搭建兩個交錯式轉(zhuǎn)換器還是搭建單個轉(zhuǎn)換器。另外，目前的商用產(chǎn)品都有使用單級轉(zhuǎn)換或兩級轉(zhuǎn)換的方法。

對于較大的磚塊尺寸(比如半磚尺寸)，其輸出功率和轉(zhuǎn)換器的總功耗足夠地高，以致每個開關(guān)通常要求使用多個功率器件——從所需熱管理的角度，及最小導(dǎo)通電阻(最大晶片尺寸)的角度來看也是一樣。如果轉(zhuǎn)換器被劃分為兩個(每個負責一半的功率)，那么功率器件的總數(shù)量將不會受到影響。使用更多電感和變壓器的成本和體積增加也有問題，因為這些器件更小，并且轉(zhuǎn)換器的交錯可允許輸出電容減小。此外，磚塊的尺寸(特別是高度的限制)意味著單個大功率變壓器的高度受限，與兩個較小變壓器的磁芯相比，其磁芯通道的長度可能不是最優(yōu)。其余的差異(柵極驅(qū)動和控制)將有可能成為決定性的因素，也就是說，我們能否接受增加成本來實現(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)計目標是把工作頻率提高許多，用于展示eGaN器件能夠幫助擅長于電源設(shè)計的工程師開發(fā)出具有更高效率和更高輸出功率的最先進的新一代產(chǎn)品。

基于原型eGaN FET的PSE轉(zhuǎn)換器

針對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)拓撲的相移全橋(PSFB)轉(zhuǎn)換器(如圖2所示)。由于功率較高，在半磚體積中構(gòu)建了兩個交錯式轉(zhuǎn)換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個轉(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，而且使用兩個獨立的轉(zhuǎn)換器理論上允許通過切相來提高輕載時的效率。圖3顯示了一相和兩相工作時的效率結(jié)果，其中采用簡單切相時的輕載效率提高了至少2%。

每個轉(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關(guān)頻率的提高和氮化鎵器件的尺寸相對較小，可以在有限的體積中構(gòu)建兩個這樣的轉(zhuǎn)換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著，當VIN為60V時，副邊繞組電壓(不包括開關(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的實際原型見圖5。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)磚式設(shè)計不同，磁性元件沒有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個獨立的印刷電路板上。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。變壓器繞組是通過在繞組窗口層疊兩個八層電路板(并聯(lián))而創(chuàng)建的。

圖2：使用eGaN FET實現(xiàn)全橋同步整流(FBSR)(兩個半磚、交錯式250kHz轉(zhuǎn)換器)的350W全穩(wěn)壓的相移全橋(PSFB)拓撲。

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

圖4：采用eGaN FET設(shè)計、工作在250kHz開關(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)計的48V至53V半磚PSE轉(zhuǎn)換器的頂視圖和底視圖(單位為英寸)。