我们用于比较的器件是高侧(控制侧)的40V,16mΩ氮化镓场效应晶体管和低侧(整流侧)的40V,4mΩ氮化镓场效应晶体管,以及位于高侧的英飞凌MOSFET器件BSZ130M03MS(30V,15mΩ)和位于低侧的BSZ035N03M(30V,4.3mΩ)。不管哪种情况,每个插座都是用单个器件。
选择 MOSFET是因为它们的技术先进,并具有相同的导通电阻(RDS(ON))。对40V的氮化镓场效应晶体管与30V的MOSFET进行比较是因为具更高开关速度的氮化镓场效应晶体管有望产生更高的过冲。表1展示了各个开关器件的特性。
表1 MOSFET及eGaN FET在19V转1.2V降压转换器的特性的比较。
所有实验用的栅极驱动电压在导通状态为5VGS,在关断状态为0VGS。转换器在开环状态下运行,占空比针对合适的输出电压进行了调整。我们使用小尺寸的输出滤波器以便充分发挥髙频转换所能够节省空间的优势。在800kHz开关频率测试时,只用了一个输出滤波电容,而在300kHz开关频率测试时,增加了一个470µF的Poscap电容。测试是在负载为零至10A的范围内进行。基准是根据等效MOSFET器件在300kHz开关频率时工作,这个频率是此类应用的典型开关频率。
测试表明,采用工作在500kHz的eGaN FET设计的电路性能与300kHz MOSFET基准相当,而工作在500kHz的MOSFET电路在大部分电流范围内的效率都下降了约1.5%。
在低电流时,氮化镓场效应晶体管的解决方案的效率下降,原因是最小死区时间是为优化最大电流工作条件而定。这将丧失在轻载时的零电压开关(ZVS)的优势。然而，当死区时间增加时,就像自适应类型的驱动器一样,氮化镓系统的500kHz效率变得在所有负载条件下都比得上具300kHz效率的MOSFET系统。
在功率开关尺寸的减小和取消Poscap的情况下,具更高频率的氮化镓场效应晶体管系统可节省36mm2电路板面积(约节省20%),并且不会影响效率。效率的结果见图1。
图1 40V氮化镓晶体管和先进的30V硅MOSFET相比,在19V转1.2V降压转换时,转换效率与输出电流的关系。
图2 基于MOSFET(红色线框标示)与基于eGaN FET(黄色线框标示)19V转1.2V降压转换器的尺寸的比较。
基于eGaN FET的系统的开关频率随后被增加至800kHz,同时减小了输出滤波器的体积，以最大程度的节省电路板空间。即使在更高的开关速度下,过冲也被限制在33V,而振铃的振幅在几个周期内逐渐减弱,见图3。
图3 19V转1.2V降压转换器的开关节点波形,展示控制eGaN FET在500kHz频率及10A输出电流时的导通时间。
实验的结果实在令人鼓舞。氮化镓器件的效率在大部分的电流范围内都保持在500kHz频率，是基于MOSFET的系统的1%之内。它的峰值效率超过86%,并可以节省电路板面积达30mm2(这是额外20%的空间)。氮化镓场效应晶体管与MOSFET对电路板空间的要求的比较见图2。这个达33%的节省可以转换成多层印刷电路板尺寸的减小和价格的降低,或利用节省的空间增加运算和存储功能,以提高系统的性能。
目前的直流-直流转换器在瞬态和纹波方面对电压变化都有限制。提高频率可以减小输出滤波器,同时仍然保持低纹波。在实验中减少输出滤波器元件,使电压纹波合理地保持在大约12mV的峰至峰值(直流电压的1%)的常数。图4显示了300kHz、500kHz和800kHz工作时的输出电压纹波的波形。
图4 19V转1.2V降压转换器的输出电压纹波的波形。