基于GaN的高功率穩壓輸出電源方案

　　由于當今系統板上的微處理器、FPGA 和 ASIC 等電子負載正朝著具有更高電流和更快瞬態響應的更低電壓發展，因此中間總線架構（IBA）在基于現代分布式電源架構（DPA）的數據中心服務器中很常見，工作站和電信設備。IBA 方案通過使用稱為磚的標準隔離式 DC/DC 轉換器實現，正在幫助系統設計人員將 DC 總線電壓進一步降低至 12、9 或 5 V DC。這種較低的隔離直流總線電壓簡化了使用高效、高密度、非隔離負載點（POL）降壓穩壓器來驅動低壓電子負載的過程。

　　隨著這些基于 DPA 的服務器和工作站隨著時間的推移變得越來越小，在這些系統中啟用 IBA 方案的隔離式 DC/DC 轉換器或磚也必須如此。包括四分之一磚和八分之一磚在內的各種磚格式被部署為滿足 IBA 需求的中間總線轉換器。

　　去年，我們看到許多制造商提供具有四分之一磚1功率的八分之一磚。其中一些制造商是CUI、GE Critical Power、Murata Power Solutions和Vicor等。順便說一句，它們都是基于模擬控制的磚，在輸出功率級中加入了硅功率 MOSFET。這些硅基第八塊磚的輸出電壓不受調節。Vicor 是唯一一家在 50 至 55 V DC輸入電壓范圍內提供 500 W 能力的 8/8 磚供應商。這是 1/8 磚格式中實現最多的，尺寸為 2.30 x 0.9 x 0.38 英寸（58.4 x 22.9 x 9.5 毫米）。然而，12 V DC其八分之一磚IB048E120T40N1-00的輸出是非穩壓軟開關的，輸入和輸出之間的隔離電壓為 1500 V。理論上，輸出功率為 480 W，因為 12 V 時的最大額定輸出電流為 40 A。

　　為了將開關損耗保持在最低限度，Vicor 的第 8 塊磚使用了一種專有的基于變壓器的串聯諧振拓撲，稱為正弦振幅轉換器。因此，它可以以 1 MHz 的頻率進行開關，同時保持較低的開關損耗和更小的無源器件。結果是滿載時的效率非常高，同時在負載變化時保持良好的效率。產品數據表規定在 25°C 環境溫度下的峰值效率為 98%（圖 1）。這種峰值性能是在 20 A 的中等負載電流和 48 V 輸入下實現的。在相同輸入 48 V 的滿負載下，效率下降到 97.5% 左右，在 10% 的負載下下降到 94%。

　　圖 1：Vicor 的 500 W 八分之一磚 IB048E120T40N1-00 在 48 V 輸入和 25°C 環境溫度下提供 98% 的峰值效率。

　　產品數據表顯示，在更高的環境溫度 55 ° C 下，峰值效率下降到 97.5%，表明即使在高工作溫度下性能也很高。在滿載時也可以看到類似的低降。由于某些直流總線的工作電壓低于 12 V DC ，因此 Vicor 的第 8 塊磚還可在 500 W 輸出下提供 48 V DC到 9.6 V DC的轉換。具有 9.6 V DC輸出的典型 500 W 部件是IB050E096T48N1-00。所有 1/8 磚轉換器都屬于制造商的 VI Brick IBC 系列。

　　GaN基磚

　　現在，Efficient Power Conversion Corp. 或EPC采用氮化鎵（GaN）路線，將寬帶隙（WBG）器件的優勢帶入隔離的八分之一磚格式。事實上，它是第一家這樣做的公司。在最近于北卡羅來納州夏洛特舉行的 2015 年應用電力電子會議和博覽會（APEC）上，EPC 推出了一款基于 GaN 的 500 W 八分之一磚 DC/DC 轉換器演示板EPC9115。然而，與 Vicor 的硅基第八塊磚不同，基于 GaN 的 EPC9115 在 42 A 下提供完全穩壓的 12 V DC輸出，輸入電壓范圍為 48 V DC至 60 V DC. 此外，EPC 基于 GaN 的 EPC9115 采用傳統的硬開關 PWM 設計，開關頻率為 300 kHz。本設計中使用的增強型 GaN （eGaN） FET 是 60 V、2 mΩ EPC2020和 80 V、2.5 mΩ EPC2021，采用全橋配置，如圖 2 所示。eGaN FET 由Texas Instruments驅動 LM5113。

　　EPC9115 設計師兼 EPC 產品總監 John Glaser 表示，使用軟開關技術的 1/8 磚轉換器的設計更加復雜，包括其控制。然而，Glaser 指出，采用傳統的 PWM 硬開關拓撲使設計和控制變得簡單。Glaser 指出，除了消除輸出端的串聯電容器外，全橋還有助于將熱量散布到四個晶體管上。此外，基于 eGaN 的 1/8 磚轉換器使用 4:1 集成平面變壓器。變壓器接近最佳狀態，可最大限度地減少鐵芯損耗。

　　圖 2：EPC 的基于 eGaN 的 1/8 磚 EPC9115 使用全橋配置來消除串聯輸出電容器。

　　除了使用傳統的硬開關拓撲之外，八分之一磚 EPC9115 設計還使用電壓模式控制，該控制結合了Microchip 16 位數字信號控制器（DSC），例如DSPIC33FJ06GS101A-I/P，它提供了真正的 DSP 功能MCU的操作。此外，它還為控制回路設計中的實時響應提供了許多外圍設備。Microchip 的鉑金級數字電源軟件庫和參考設計支持 DSC。控制器的片上存儲器允許用戶在軟件中配置第八塊磚，還可以監控各種輸入和輸出參數。

　　EPC9115 第八塊磚在滿載時提供 96.5% 的峰值效率，即使在負載低至 5A 時也保持相當高的效率（圖 3）。然而，基于 GaN 的第八塊磚的峰值效率比硅對應物低一個點。Glaser 解釋說，雖然 GaN 器件的損耗很低，但磁性器件的損耗相對較高，需要進一步改進。

　　圖 3：EPC 的 500 W 八分之一磚轉換器 EPC9115 在 48 V 輸入和滿載條件下提供約 96.5% 的峰值效率。環境溫度為 25°C。

　　根據 EPC 的說法，EPC9115 作為演示板提供，以展示在傳統拓撲結構中使用 eGaN FET 和 eGaN 驅動器構建第 8 塊磚所能實現的高性能。盡管 500 W DC/DC 轉換器的占位面積僅為 1/8 磚，但演示板尺寸過大，可以進行連接以進行工作臺評估（圖 4）。有多種探測點，便于簡單的波形測量和效率計算。該板適用于低環境溫度和強制風冷的工作臺評估。