eGaN FET与硅功率器件比拼之隔离型PoE-PSE转换器

输出纹波频率为1MHz。图4显示了更完整的原理图。其目的是要显示由于开关频率的提高和氮化镓器件的尺寸相对较小，可以在有限的体积中构建两个这样的转换器。选择4:7的变压器匝比意味着，当VIN为60V时，副边绕组电压（不包括开关尖峰）大约为105V，因此，副边可以使用200V的器件，原边则可以使用100V的器件。

基于eGaN FET的实际原型见图5。从图中可以看出，与传统砖式设计不同，磁性元件没有集成在主印刷电路板上，而是安放在几个独立的印刷电路板上。这样不仅能够减少主印刷电路板所需的层数，而且允许输出滤波器使用传统的表面贴装电感。转换器使用八层、每层两盎司铜的印刷电路板。变压器绕组是通过在绕组窗口层叠两个八层电路板（并联）而创建的。

图2：使用eGaN FET实现全桥同步整流（FBSR）（两个半砖、交错式250kHz转换器）的350W全稳压的相移全桥（PSFB）拓扑。

图3：采用基于eGaN FET原型设计的半砖PSE转换器在单相（一半转换器断电）和正常两相工作时的效率数据。

图4：采用eGaN FET设计、工作在250kHz开关频率的八分之一砖式、38 V~60 V至53 V/70W转换器的原理图。

图5：采用eGaN FET设计的48V至53V半砖PSE转换器的顶视图和底视图（单位为英寸）。

PSE转换器的比较

采用eGaN FET设计的半砖PSE转换器可以与类似的48V至（约）53V全稳压商用半砖转换器来进行比较。如前所述，这些商用转换器覆盖了表1所列出的各种拓扑和配置。为了重点说明基于eGaN FET的原型与这些转换器是如何比较的，本文选择了两种产品（表1中的B和D转换器）来展示全面结果。

表1：商用半砖PSE转换器的比较。

D转换器是一种传统的单级、单变压器的单转换器，它具有与原型相似的拓扑（虽然eGaN FET的原型含有两个并联转换器）。图6和图7所示的效率比较表明，使用较低开关频率可以实现轻载效率的优势，并且通过仔细设计磁芯损耗和漏电感则有可能实现轻载优化。相比之下，eGaN FET转换器的磁芯仅是为了实现最小的漏电感和在75%更高的开关频率下审慎切换。这样，虽然轻载时的效率较低，但在大约50%负载时，eGaN FET原型在相似的转换器总损耗及满负载条件下将最终产生高出25%的功率（损耗比较见图6）。

用作比较的第二个商用的半砖式转换器（B转换器）采用的是两级方案。虽然两级方案与原型方案不同，但二者都把输出功率分布到两个独立且并联工作的转换器。两级方案的优势是支持未调节隔离级转换器的效率优化，因为它工作在固定的占空比和电压，与转换器输入电压无关，同时，这种受控的输入/输出电压允许使用具有更好品质因素的更低额定电压的器件。其缺点是两级电路所带来的额外导通损耗，以及复杂性和器件数量的增加。

eGaN FET原型和两级转换器之间的效率比较如图8所示。它显示了产品最优化的过程，因为在标称48V输入时达到了峰值效率。拓扑间的差异可以通过比较38V（低压线）输入电压的结果来描述：由于两级转换器采用了升压调节电路，低压线电压实际上是最差的情况（导通损耗增加，开关损耗没有明显的降低），而对传统的单级方案来说，低压线是最好的情况，因为其开关损耗最小。

两级转换器在低压线处的功耗几乎接近50W（在相同条件下几乎是eGaN FET转换器的两倍）（见图9），而在75V（高压线）输入损耗在工作电压高出25%时，则比基于eGaN FET的转换器高出15%。

图6：eGaN FET原型半砖PSE转换器与D转换器（商用MOSFET解决方案）半砖PSE转换器的效率比较。

图7：eGaN FET原型与D转换器半砖PSE转换器的功耗比较。

图8：eGaN FET原型与B转换器半砖PSE转换器的效率比较。

图9：eGaN FET原型与B转换器半砖PSE转换器的功耗比较。

本文小结

本章对采用eGaN FET原型设计的全稳压半砖式供电设备转换器与类似的MOSFET转换器进行了比较。与可比的先进商用转换器相比，eGaN FET原型工作在约高出两倍的开关频率时，性能可以得以充分发挥。与最接近的商用转换器相比，其输出功率可以高出100W。

值得注意的是，在砖式转换器设计中，拓扑的选择和器件的优化与选择最佳功率器件同样重要。所有擅长于这些工艺的工程师应该能够进一步改善本文所讨论的eGaN FET原型的性能。