由于目前商用转换器的设计多样化,要把应用于以太网供电-供电设备的各种半砖式转换器来进行比较是非常困难的。每家制造商在拓扑、材料、结构、版图和其它创新技术都不断提高其产品的输出功率,务求在市场上可以脱颖而出。每一代电源,制造商都会在结构、版图和拓扑方面进行改进,以增加输出功率。要确定‘最佳’解决方案是一个反复的过程,而最佳解决方案的定义也不尽相同,增加了问题的复杂性。
我们选择搭建一个具单级转换、两相交错式转换器来演示eGaN FET的性能。其设计目标是锐意把产品的工作频率做到比目前的商用系统为高,用于展示eGaN FET可以帮助具有丰富电源设计经验的工程师开发先进的、具更高效率和更高输出功率的下一代产品。
对于较大的砖块尺寸,比如半砖尺寸,其输出功率和转换器的总损耗是足够高的,因此每个开关通常要求使用多个功率器件-从所需的热管理的角度,及最小的RDS(ON)(最大晶片尺寸)的角度来看。如果转换器被划分为两个- 每一个负责一半的功率- 那么功率器件的总数量将不会受到影响。使用更多数量的电感和变压器,其成本和体积的增加也不大,因为这些元件更小,并且交错式转换器可允许输出电容减小。
此外,砖块的尺寸及高度的限制,意味着单个大功率变压器的高度是受限的,与两个较小变压器的磁芯相比,其磁芯通道的长度不是最优。其余的差异,栅极驱动和控制，将有可能成为决定性的因素。我们能否接受增加成本来实现更高效率及输出功率?
基于eGaN FET的供电设备转换器比较
采用eGaN FET的半砖式供电设备转换器可以与类似的48V至(约)53V全稳压商用半砖式转换器进行比较。如前所述,这些商用转换器具备表1所列的各种拓扑和配置。为了说明基于eGaN FET的原型与这些转换器的比较,我们选择了两种产品(表1中的B和D转换器)来展示各方面的结果。
表1 商用半砖式供电设备转换器比较
D转换器是一种传统的单级、单个变压器转换器,使用与基于eGaN FET的变压器转换器相似的拓扑(虽然eGaN FET的原型有两个并联转换器)图1和图2所示的效率比较表明,通过较低开关频率有可能实现轻负载效率的优势,并且通过仔细设计磁芯损耗和漏电感则有可能实现最优化的轻负载。相比之下,基于eGaN FET的转换器的磁芯设计具最小漏电感及特意在高出75%开关频率下转换。这样,虽然轻负载效率较低,但在大约509%负载时,eGaN FET的原型不但具相等效率,并在转换器总损毵相似下,在满负载条件时所产生高出25%的功率。
图1 基于eGaN FET原型与基于商用MOSFET(D转换器)的半砖式供电设备转换器的效率比较。
图2 基于eGaN FET原型与基于商用MOSFET(D转换器)的半砖式供电设备转换器的功率损耗比较。
第二个商用的半砖式B转换器采用两级方案。虽然两级方案与我们的原型方案不同，两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非降压隔离级的效率的最优化,因为它工作在固定占空比和电压,与转换器的输入电压无关，这种受控的输入/输出电压允许使用具有更好品质因素,以及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,复杂性和元件数量的增加。
eGaN FET的原型和两级转换器之间的效率比较如图3所示,它显示B转换器经过最优化的过程,因为在其标称48V输入时已达到峰值效率。
图3 基于eGaN FET原型与基于商用MOSFET(B转换器)的半砖式供电设备转换器的效率比较。
拓扑间的差异可以通过比较38V(下线)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,因此下线电压实际上是最差的情况(即导通损耗增加了,而开关损耗没有明显地降低),面对传统单级方案来说,下线电压是最好的情况,因为其开关损耗是最小的。功率损耗如图4所示。两级转换器在下线处的功率损耗几乎接近50W，在相同条件下大约是基于eGaN FET的转换器的两倍,而75V(上线)输入损耗在工作电压高出25%时则只比基于eGaN FET的转换器高出15%。
图4 基于eGaN FET原型与基于商用MOSFET(B转换器)的半砖式供电设备转换器的功率损耗比较。