图1展示了针对以上应用的正激式转换器的简化原理图,我们使用了氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)和凌力尔特公司的LT1952单开关同步正激式控制器,并在副端使用LTC3900用于正激式转换器的同步整流器驱动器。图2显示了氮化镓场效应晶体管的同步整流电路图。LTC3900通过一个隔离/脉冲变压器接受来自主端控制器的脉冲同步信号,其尽量减少用于副端同步整流器的定时延迟和开关时间是降低体二极管损耗及高整体效率的关键因素。基于MOSFET和氮化镓场效应晶体管的转换器分别在300kHz和500kHz频率时工作,以展示使用氮化镓场效应晶体管的解决方案的可行性和优势。
图1 使用氪化镓场效应晶体管的正激式转换器的简图。
图2 根据图1基于氮化镓场效应晶体管的副端同步整流器的简图细节。
在前面的文章我们表明氮化镓场效应晶体管与等效的先进硅器件相比,具有更好的晶质因数,而这个优势随着额定漏极电压的上升而将进一步增强。但氮化镓器件也具较高的体二极管前向压降,在较低电压时这是有害的,需要通过改进控制器的时序才可以克服这个问题。根据这些优点及缺点,表1对在正激式转换器的MOSFET和氮化镓场效应晶体管的性能进行了比较。
表1 正激式转换器所采用的MOSFET与eGaN FET器件的比较。
图3给出了氮化镓场效应晶体管和MOSFET在开关时的波形。这两种器件的栅极上升时间大不相同,这是因为它们的输入电容(CISS)的比例是10:1。氮化镓器件具有改进了的导通时间,这是因为它的米勒电荷(QGD)小五倍,其漏极上升时间也少了,这是因为相比MOSFET,氮化镓场效应晶体管的输出电容(COSS)大约只有MOSFET的一半。
图3 LT1952原边控制器的栅极与漏极在开关时的波形图(f=500kHz，VIN=48V,VOUT=5V,IOUT=5A)。
图4 在一个48V至5V、26W正激式转换器中MOSFET和氮化镓场效应晶体管的效率比较。
图4给出了工作在300kHz和500kHz频率时内含 MOSEFT和氮化镓场效应晶体管的转换器的效率。我们从评估这些结果得出三个重要的结论:
· 与MOSFET相比,在300kHz频率时,使用氮化镓场效应晶体管的转换器在低负载时的效率比使用MOSFET的转换器稍有改进,而该转换器在满负载时的效率则与使用MOSFET的转换器相当,虽然在主插座中的氮化镓场效应晶体管的阻抗(RDS(ON))要比MOSFET的阻抗高出50%。
· 随若频率的增加,与使用MOSFET的转换器相比,内含氮化镓场效应晶体管的转换器的效率性能大大提高了。在500kHz频率时工作,含氮化镓场效应晶体管的转换器在满负载时的效率大约较MOSFET高2%,而低负载时的效率则大约较MOSFET高5%。
· 事实上,随着频率的增加,氮化傢场效应晶体管的效率下降了很少。这几乎完全是因为300kHz和500kHz时使用了两个不同的输出电感器,得以在这两个工作率之间保持相同的输出电流纹波,这使电感器的直流阻抗(DCR)大约降低5mΩ，并减少一半电感量。如果去除了这个电感上的改进,300kHz和500kHz版本之间的效率基本上不会改变。
由于氮化镓场效应晶体管的体二极管具有更高的前向压降,请留意我们需要在整个负载范围内调整一次栅极驱动器的时序来降低体二极管的导通损耗。