这两种设计都尽可能基于控制器制造商所建议的电路。由于氮化镓场效应晶体管的驱动器要求与传统MOSFET有所分别,因此基于氮化镓器件的转换器需要额外增加几个分立式的外部驱动器,如图1所显示。
图1 基于氮化镓器件的反激式控制器使用分立式栅极驱动电路。
表1显示了每一个转换器所使用的MOSFET及氮化镓场效应晶体管器件的性能比较。
表1 反激式转换器内MOSFET与eGaN FET器件的性能比较。
小尺寸的13W反激式转换器
图2显示了48V至5V、13W的以太网供电-受电设备应用中的一款通用反激式转换器。LT1725反激式控制器的集成电路。LT11725的数据手册规定了最大工作频率为250kHz,但在以上的应用中,频率被调教至400kHz,以展示氮化镓场效应晶体管可以在更高频率下工作的优势。
图2 应用于以太网供电，LT1725的48V至5V、13W的反激式转換器。
图3 显示了基于氮化镓场效应晶体管和基于MOSFET的转换器,其工作在300kHz和400kHz频率时的效率。其中所使用的MOSFET器件(150V,66mΩ)，并与氮化镓场效应晶体管(200V,100mΩ)作出比较。我们可以看到,虽然氮化镓场效应晶体管的阻抗( RDS(ON))要高出50%,但除了在重负载情况之下，氮化镓场效应晶体管的效率在任何时候都要比基于等效MOSFET器件的转换器的效率高约2%。事实上,工作频率在400kHz时,氮化镓场效应晶体管的效率在大部分负载范围内仍然高于基于等效MOSFET的转换器在300kHz频率时的效率。
图3 48V至5V、13W的反激式转换器中,基于氮化镓场效应晶体管，与基于MOSFET器件的效率作出比较。
图4中的波形图显示了工作在400kHz频率时的氮化镓场效应晶体管的栅极和漏极电压,同时显示了转换器的输出电压。
图4 基于化嫁场效应晶体管的LT1725反激式控制器的栅极及漏极波形图
(f=400kHz，Vin=48V，VOUT=5V, lOUT=2.5A)；
CH1: eGaN FET的栅极驱动；CH2: eGaN FET的漏极;CH3：转换器的输出电压。
高效率13W的反激式转换器
图5显示了使用内含(LM5020)的反激式转换器的电路原理图。这个电路实际上与LM5020数据手册内所给定的应用是相同的。我们测量了300kHz和500kHz时的转换器的效率,结果见图6。我们可以看到,尽管氮化镓场效应晶体管的阻抗(RDS(ON))要比MOSFET高出50%,但在300kHz频率下,基于MOSFET器件的转换器和基于氮化镓场效应晶体管的转换器的效率几乎是相同的。取得这个结果是因为氮化傢场效应晶体管具更低开关损耗。
图5 基于LM5020的48V至3.3V、13W的反激式转换器。
图6 用于48V至3.3V、13W的反激式转换器的氮化镓场效应晶体管，与MOSFET的效率作出比较。
当开关频率提高至500kHz时,请注意含氮化镓场效应晶体管的解决方案的效率下降幅度是这么小,只是下降了大约0.5%,而含MOSFET的解决方案大约下降了2%。图7的波形图显示了工作在500kz频率时氮化镓场效应晶体管的栅极和漏极电压,以及转换器的输出电压。
图7 LM5020波形图(f=500kHz,VIN=48V,VOUT=3.1V,IOUT=4A)。
从两个转换器可以看到,基于氮化镓场效应晶体管的反激式转换器比基于等效MOSFET的转换器具更高效率,并具有可以降低系统成本的潜力。