eGaN FET與硅功率器件比拼之六：隔離型PoE-PSE轉換器

隔離型磚式轉換器被廣泛應用于電信系統(tǒng)，為網(wǎng)絡設備供電，這些轉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用，并在某種程度上商品化了隔離電源市場。這些轉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，市場上的隔離型轉換器應用要求具有更高的器件電壓，例如PoE-PSE(以太網(wǎng)供電的供電設備)。這些轉換器更能受益于氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)增高額定電壓所帶來的優(yōu)勢。本文將構建基于eGaN FET的半磚轉換器，并與類似的最先進硅MOSFET磚式轉換器進行比較。

隔離型PoE-PSE轉換器簡介

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備里，功率有系統(tǒng)地增加。根據(jù)有關以太網(wǎng)供電的IEEE 802.3at標準，供電設備(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)開關來說，其要求的總供電設備的功率可能高達1.2kW。這便推動了對更高效率和更高功率密度的轉換器的需求。

由于這些磚式轉換器具有規(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萬化，卻都只是與提高系統(tǒng)效率有關。這是由于轉換器的固定體積和散熱方法而構成的物理限制。對于半磚轉換器來說，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系。因為大多數(shù)商用的半磚供電設備轉換器已經(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：半磚轉換器達到指定輸出功率時所需的最低效率(假設最大功耗為35W)。

比較不同的隔離型PoE-PSE轉換器

在嘗試比較半磚PoE-PSE轉換器時，不可能進行簡單的一對一比較，因為不同的商用轉換器具有非常多樣化設計。每一代電源的輸出功率都有所提高，因為制造商的“最優(yōu)”設計都在結構、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雜性。半磚應用的設計是多樣化的，一個極好的例子是選擇搭建兩個交錯式轉換器還是搭建單個轉換器。另外，目前的商用產品都有使用單級轉換或兩級轉換的方法。

對于較大的磚塊尺寸(比如半磚尺寸)，其輸出功率和轉換器的總功耗足夠地高，以致每個開關通常要求使用多個功率器件——從所需熱管理的角度，及最小導通電阻(最大晶片尺寸)的角度來看也是一樣。如果轉換器被劃分為兩個(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換器那樣，開發(fā)基于eGaN FET轉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品。

基于原型eGaN FET的PSE轉換器

針對48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設備轉換器，可以選擇采用全橋同步整流器(FBSR)拓撲的相移全橋(PSFB)轉換器(如圖2所示)。由于功率較高，在半磚體積中構建了兩個交錯式轉換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個轉換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產生的復雜性，而且使用兩個獨立的轉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果，其中采用簡單切相時的輕載效率提高了至少2%。

每個轉換器的工作頻率為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建兩個這樣的轉換器。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原型設計的半磚PSE轉換器在單相(一半轉換器斷電)和正常兩相工作時的效率數(shù)據(jù)。

圖4：采用eGaN FET設計、工作在250kHz開關頻率的八分之一磚式、38 V~60 V至53 V/70W轉換器的原理圖。

圖5：采用eGaN FET設計的48V至53V半磚PSE轉換器的頂視圖和底視圖(單位為英寸)。

PSE轉換器的比較

采用eGaN FET設計的半磚PSE轉換器可以與類似的48V至(約)53V全穩(wěn)壓商用半磚轉換器來進行比較。如前所述，這些商用轉換器覆蓋了表1所列出的各種拓撲和配置。為了重點說明基于eGaN FET的原型與這些轉換器是如何比較的，本文選擇了兩種產品(表1中的B和D轉換器)來展示全面結果。

表1：商用半磚PSE轉換器的比較。

D轉換器是一種傳統(tǒng)的單級、單變壓器的單轉換器，它具有與原型相似的拓撲(雖然eGaN FET的原型含有兩個并聯(lián)轉換器)。圖6和圖7所示的效率比較表明，使用較低開關頻率可以實現(xiàn)輕載效率的優(yōu)勢，并且通過仔細設計磁芯損耗和漏電感則有可能實現(xiàn)輕載優(yōu)化。相比之下，eGaN FET轉換器的磁芯僅是為了實現(xiàn)最小的漏電感和在75%更高的開關頻率下審慎切換。這樣，雖然輕載時的效率較低，但在大約50%負載時，eGaN FET原型在相似的轉換器總損耗及滿負載條件下將最終產生高出25%的功率(損耗比較見圖6)。

用作比較的第二個商用的半磚式轉換器(B轉換器)采用的是兩級方案。雖然兩級方案與原型方案不同，但二者都把輸出功率分布到兩個獨立且并聯(lián)工作的轉換器。兩級方案的優(yōu)勢是支持未調節(jié)隔離級轉