使用eGaN FET缩小转换器尺寸及降低其成本

  上篇文章的正激式转换器的例子表明,虽然主插座的eGaN FET的RDS(ON)高50%,但在更高的开关频率下,eGaN FET的性能将超越MOSFET的性能。这个改进主要是来自原边开关器件。而用于正激式转换器的同步整流器(SR)的优势有限,虽然没有了开关损耗,但是因为没有正确的同步整流时序,体二极管的传导损耗有所增加。
 
  在大多数应用中,提高效率是唯一的要求。间题是如何把提高了的效率转化为一个成本效益优势?答案是我们需要考虑一个具有特定横截面面积的磁芯,及特定绕组线圈的窗口面积-这个“磁芯面积的乘积”通常用来设计磁体的结构,并可以直接与磁芯的体积相关即使不同磁芯的磁芯横截面的面积,与绕组窗口的面积可能不同,但恒定的磁芯跟面积的乘积,在给定的工作频率下,可以得出相同的损耗和相同的转换器效率。
 
  在提高开关频率后将会什么样?如果不改变磁体,并假设更高的开关频率仍在所用材料的可行范围之内,磁芯损耗减小的幅度将比提高频率的幅度大,原因是这些损耗与磁通密度具非线性的关系。这个影响可以在使用eGaN FET的正激式转换器看到,在更高的开关频率时,其整体效率仍保持相对地不变,即使氮化镓器件的开关损耗继续增加。
 
  我们可以藉着减小磁芯的尺寸来大幅度减少磁芯的损耗吗?换句话说,在更高频率下使用一个eGaN FET,并使用一个更小/更便宣的变压器,我们可否保持原先的MOSFET效率?我们看看这个例子-把开关频率从300kHz提高至500kHz时,我们可以通过减小磁芯横截面的面积来增加磁通密度至300kHz时的密度,此时的横截面面积是原先值的60%(对方形磁芯面积来说每边大约缩小至77%)。图1给出了两个这种磁芯的横截面,并可以得出如下的结论:
  a)磁芯体积缩小大约至原先尺寸的60%。
  b)单位体积的磁芯损耗可能增加了(取决于所用的磁心材料)。
  c)线圈绕组的体积和平均匝长也减少至大约是85%至90%(取决于长度(1)与宽度(w)的比率)。这将降低直流线圈绕组的电阻和铜传导损耗。
  d)交流线圈绕组的电阻可能会增加,因为外层的厚度减小了(取决于所用的走线的厚度)。
 
  总而言之,在典型情况下,由于(a)>(b),及(c)>(d),这种设计可以实现一个更高效率的变压器。以百分比值量度的“新的”磁芯面积乘积,将大约等于较低频率与较高频率之比率的平方根,在本例子中,这个百分比值大约是77%,但这将取决于磁芯的长宽比。新的磁芯体积也被减小至相似的百分比值。
在不同开关频率下,两个等效变压器的结构(具恒定磁通密度)的横截面 
图1 在不同开关频率下,两个等效变压器的结构(具恒定磁通密度)的横截面。
 
  在足够高的体积条件下,材料成本占变压器成本的大部分,因此有理由可以假定变压器的成本将相应地降低。由于磁性元件通常是最大及最昂贵的单个元件,因此可节省的成本可以是非常显著的。
 
  提高了的开关频率的额外优势包括减小输出电容(与频率成反比)、减少电感器体积、改善控制带宽及动态和瞬态响应的性能。
 
  总结:
  在一个正激式转换器中,使用eGaN FET是一个可行、高效的替代标准MOSFET的解决方案。eGaN FET推动我们实现更高的工作频率,我们可以利用这个优点缩小电源转换器的尺寸,并增加其成本效益。


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