利用开发板实现对eGaN FET电源设计的评估(图文)

长期以来，宽带隙氮化镓硅（GaN-on-Si）晶体管现已上市。他们被吹捧为取代硅基MOSFET，这对于许多高性能电源设计而言效率低下。最近，市场上出现了几家基于GaN-on-Si的HEMT和FET的供应商，其中包括高效电源转换（EPC）。在过去的四年中，该公司一直在扩展其商用增强型（常关）GaN FET或eGaN FET系列。今天，低压eGaN FET系列中大约有11个成员，超高频线中大约有8个成员。

这些高性能，宽带隙晶体管被推荐用于各种高频高效率，高密度DC/DC转换器和其他针对新兴应用的电源，如无线功率传输，包络跟踪，RF传输，太阳能微型逆变器，LiDAR，遥感和D类音频放大器。为了帮助设计人员了解硅功率MOSFET和eGaN FET之间的细微差别，从而加快其在即将推出的电源解决方案中的应用，该公司已经为其eGaN FET创建了许多应用笔记，白皮书和视频系列。

什么是此外，为了加快eGAN FET对从硅MOSFET到eGaN FET的电源设计的评估，EPC在过去几年中发布了几个开发板。最新的介绍，包括EPC9022到EPC9030，提供半桥拓扑结构和板载栅极驱动器。它们旨在简化公司EPC8000系列超高频，高性能eGaN FET的成员评估。目前，EPC8000系列中有8个成员，每个部分都有相应的开发板，如表1所示。

表1：带有相应开发板的EPC8000系列（由EPC提供。）这些开发板尺寸为2英寸x 1.5英寸，包含两个半桥配置的eGaN FET，带有板载Texas Instruments栅极驱动器LM5113电源和旁路电容（图1）。此外，为了简化评估，它包含所有关键组件，并采用适当的布局以实现最佳的高频开关性能。此外，该电路板设计用于提供各种探头点，以便于简单的波形测量和效率计算（图2）。

图1：EPC的eGaN FET开发板的框图。

图2：为了便于简单的波形测量和效率计算，开发板提供了各种探测点。例如，EPC9022在一半中使用两个65 V EPC8002 eGaN FET采用LM5113作为栅极驱动器的桥接拓扑结构。最小开关频率为500 kHz。表1显示eGaN FET的额定漏源击穿电压为65 V，RDS（on）为530mΩ，连续漏极电流（ID）为25 A，环境温度为25°C。使用该电路板，用户可以测量EPC8002的主要区别特征，包括给定导通电阻RDS（on），品质因数（FOM），开关频率和相关损耗，输出电容和封装电感的栅极电荷QG。产品数据表显示，对于给定的导通电阻，eGaN FET的栅极电荷远低于前沿硅MOSFET。事实上，根据EPC，对于给定的击穿电压，它可能是最接近的硅MOSFET的五分之一到二十分之一。

同样，内部测试显示FOM，即RDS（on）x QG，与同类硅MOSFET相比，eGaN晶体管的电压显着降低，使设计人员能够在非常高的频率下硬切换这些FET，同时保持极低的开关损耗。

较小的输出电容是eGaN FET提供的另一个优势。根据供应商的解释，相同导通电阻的输出电容可以是类似MOSFET的三分之一到一半。换句话说，它使用一半的电容来传输相同的能量，使您的设计在物理上更小，以获得更高的功率密度。

eGaN FET提供的另一个显着特点是封装电感。 EPC的eGaN器件采用带焊条的钝化模具形式。它采用源极和漏极端子的交叉数字，以最小化连接电阻和寄生电感。结果，封装电感从2.9nH降低到0.4nH，从而进一步降低了开关损耗，从而提高了效率。此外，它还可以最大限度地减少过冲和振铃。实际上，电路板布局旨在确保寄生高频环路电感最小，因为低电感高频环路可降低高峰值电压和振铃（图3）。制造商指出，降低振铃的设计简化了EMI设计。

图3：正确的电路板布局确保寄生高频环路电感最小，从而降低峰值电压并降低输出振铃。

使用这些电路板可以轻松构建多个电路，例如高降压比DC/DC转换器，负载点（POL）稳压器，D类音频放大器以及硬开关和高频电路并且可以衡量绩效。实际上，为了简化在功能齐全的工作示例中评估这些器件的过程，EPC还准备了EPC9101演示板，这是一个1 MHz降压转换器，具有1.2 VDC输出，最大输出电流为20 A，输入电压为8至24 VDC电压范围。该演示板采用40 V EPC2014和EPC2015 eGaN FET，包括eGaN FET专用栅极驱动器LM5113和DC/DC控制器LTC3833。在该电路中，40 V EPC2014的额定最大RDS（on）为16mΩ，在25°C环境温度下连续漏极电流为10 A.同样，40 V EPC2015的最大RDS（on）为4mΩ，在25°C环境温度下连续漏极电流为33 A.虽然EPC9101演示板（图4）并非用作参考设计，但它显示了使用eGaN FET和eGaN栅极驱动器可以实现的性能。

图4 ：EPC9101是一款3英寸方形演示板，包含一个基于40 V eGaN FET EPC2014和EPC2015的全闭环1 MHz降压转换器。

根据演示板的快速入门指南，EPC9101是3英寸 - 方板，包含一个全闭环1 MHz降压转换器。功率级采用单面设计，包含在20 x 11 mm范围内，包括驱动器，eGaN FET，总线电容和输出电感。该指南还提供了各种探针点，以便于简单的波形测量和效率计算。由EPC工程师测量的该电路的典型效率性能如图5所示。

图5：EPC9101演示板1的测量效率性能，包括控制器和LDO损耗MHz降压转换器。降压转换器使用40 V eGaN FET EPC2014和EPC2015。

为了进行正确和准确的测量，EPC建议严格遵循演示板快速入门指南中提供的说明。