基于GaN的高功率稳压输出电源方案

作者：Ashok Bindra

由于当今系统板上的微处理器、FPGA 和 ASIC 等电子负载正朝着具有更高电流和更快瞬态响应的更低电压发展，因此中间总线架构（IBA） 在基于现代分布式电源架构 （DPA） 的数据中心服务器中很常见，工作站和电信设备。IBA 方案通过使用称为砖的标准隔离式 DC/DC 转换器实现，正在帮助系统设计人员将 DC 总线电压进一步降低至 12、9 或 5 V DC。这种较低的隔离直流总线电压简化了使用高效、高密度、非隔离负载点 （POL）降压稳压器来驱动低压电子负载的过程。

随着这些基于 DPA 的服务器和工作站随着时间的推移变得越来越小，在这些系统中启用 IBA 方案的隔离式 DC/DC 转换器或砖也必须如此。包括四分之一砖和八分之一砖在内的各种砖格式被部署为满足 IBA 需求的中间总线转换器。

去年，我们看到许多制造商提供具有四分之一砖1功率的八分之一砖。其中一些制造商是CUI、GE CriTIcal Power、Murata Power SoluTIons和Vicor等。顺便说一句，它们都是基于模拟控制的砖，在输出功率级中加入了硅功率 MOSFET。这些硅基第八块砖的输出电压不受调节。Vicor 是唯一一家在 50 至 55 V DC输入电压范围内提供 500 W 能力的 8/8 砖供应商。这是 1/8 砖格式中实现最多的，尺寸为 2.30 x 0.9 x 0.38 英寸（58.4 x 22.9 x 9.5 毫米）。然而，12 V DC其八分之一砖IB048E120T40N1-00的输出是非稳压软开关的，输入和输出之间的隔离电压为 1500 V。理论上，输出功率为 480 W，因为 12 V 时的最大额定输出电流为 40 A。

为了将开关损耗保持在最低限度，Vicor 的第 8 块砖使用了一种专有的基于变压器的串联谐振拓扑，称为正弦振幅转换器。因此，它可以以 1 MHz 的频率进行开关，同时保持较低的开关损耗和更小的无源器件。结果是满载时的效率非常高，同时在负载变化时保持良好的效率。产品数据表规定在 25°C 环境温度下的峰值效率为 98%（图 1）。这种峰值性能是在 20 A 的中等负载电流和 48 V 输入下实现的。在相同输入 48 V 的满负载下，效率下降到 97.5% 左右，在 10% 的负载下下降到 94%。

图 1：Vicor 的 500 W 八分之一砖 IB048E120T40N1-00
在 48 V 输入和 25°C 环境温度下提供 98% 的峰值效率。

产品数据表显示，在更高的环境温度 55 ° C 下，峰值效率下降到 97.5%，表明即使在高工作温度下性能也很高。在满载时也可以看到类似的低降。由于某些直流总线的工作电压低于 12 V DC ，因此 Vicor 的第 8 块砖还可在 500 W 输出下提供 48 V DC到 9.6 V DC的转换。具有 9.6 V DC输出的典型 500 W 部件是IB050E096T48N1-00。所有 1/8 砖转换器都属于制造商的 VI Brick IBC 系列。

GaN基砖

现在，Efficient Power Conversion Corp. 或EPC采用氮化镓 （GaN） 路线，将宽带隙 （WBG） 器件的优势带入隔离的八分之一砖格式。事实上，它是第一家这样做的公司。在最近于北卡罗来纳州夏洛特举行的 2015 年应用电力电子会议和博览会 （APEC）上，EPC 推出了一款基于 GaN 的 500 W 八分之一砖 DC/DC 转换器演示板EPC9115。然而，与 Vicor 的硅基第八块砖不同，基于 GaN 的 EPC9115 在 42 A 下提供完全稳压的 12 V DC输出，输入电压范围为 48 V DC至 60 V DC. 此外，EPC 基于 GaN 的 EPC9115 采用传统的硬开关 PWM 设计，开关频率为 300 kHz。本设计中使用的增强型 GaN （eGaN） FET 是 60 V、2 mΩ EPC2020和 80 V、2.5 mΩ EPC2021，采用全桥配置，如图 2 所示。eGaN FET 由Texas Instruments驱动 LM5113。

EPC9115 设计师兼 EPC 产品总监 John Glaser 表示，使用软开关技术的 1/8 砖转换器的设计更加复杂，包括其控制。然而，Glaser 指出，采用传统的 PWM 硬开关拓扑使设计和控制变得简单。Glaser 指出，除了消除输出端的串联电容器外，全桥还有助于将热量散布到四个晶体管上。此外，基于 eGaN 的 1/8 砖转换器使用 4:1 集成平面变压器。变压器接近最佳状态，可最大限度地减少铁芯损耗。

图 2：EPC 的基于 eGaN 的 1/8 砖 EPC9115 使用全桥配置来消除串联输出电容器。

除了使用传统的硬开关拓扑之外，八分之一砖 EPC9115 设计还使用电压模式控制，该控制结合了Microchip 16 位数字信号控制器 （DSC），例如DSPIC33FJ06GS101A-I/P，它提供了真正的 DSP 功能MCU的操作。此外，它还为控制回路设计中的实时响应提供了许多外围设备。Microchip 的铂金级数字电源软件库和参考设计支持 DSC。控制器的片上存储器允许用户在软件中配置第八块砖，还可以监控各种输入和输出参数。

EPC9115 第八块砖在满载时提供 96.5% 的峰值效率，即使在负载低至 5A 时也保持相当高的效率（图 3）。然而，基于 GaN 的第八块砖的峰值效率比硅对应物低一个点。Glaser 解释说，虽然 GaN 器件的损耗很低，但磁性器件的损耗相对较高，需要进一步改进。

图 3：EPC 的 500 W 八分之一砖转换器 EPC9115 在 48 V 输入
和满载条件下提供约 96.5% 的峰值效率。环境温度为 25°C。

根据 EPC 的说法，EPC9115 作为演示板提供，以展示在传统拓扑结构中使用 eGaN FET 和 eGaN 驱动器构建第 8 块砖所能实现的高性能。尽管 500 W DC/DC 转换器的占位面积仅为 1/8 砖，但演示板尺寸过大，可以进行连接以进行工作台评估（图 4）。有多种探测点，便于简单的波形测量和效率计算。该板适用于低环境温度和强制风冷的工作台评估。

图 4：EPC9115 是基于 eGaN FET 的 500 W 隔离式八分之一砖 DC/DC 转换器的演示板，
在 42 A 的输入范围内具有完全稳压的 12 V DC输出，输入范围为 40 至 60 V DC。