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基于GaN的高功率稳压输出电源方案

关键词:微处理器 DC/DC 转换器 FPGA

时间:2022-08-04 09:17:52      来源:电子产品

随着这些基于 DPA 的服务器和工作站随着时间的推移变得越来越小,在这些系统中启用 IBA 方案的隔离式 DC/DC 转换器或砖也必须如此。包括四分之一砖和八分之一砖在内的各种砖格式被部署为满足 IBA 需求的中间总线转换器。

作者:Ashok Bindra

由于当今系统板上的微处理器、FPGA 和 ASIC 等电子负载正朝着具有更高电流和更快瞬态响应的更低电压发展,因此中间总线架构(IBA) 在基于现代分布式电源架构 (DPA) 的数据中心服务器中很常见,工作站和电信设备。IBA 方案通过使用称为砖的标准隔离式 DC/DC 转换器实现,正在帮助系统设计人员将 DC 总线电压进一步降低至 12、9 或 5 V DC。这种较低的隔离直流总线电压简化了使用高效、高密度、非隔离负载点 (POL)降压稳压器来驱动低压电子负载的过程。

随着这些基于 DPA 的服务器和工作站随着时间的推移变得越来越小,在这些系统中启用 IBA 方案的隔离式 DC/DC 转换器或砖也必须如此。包括四分之一砖和八分之一砖在内的各种砖格式被部署为满足 IBA 需求的中间总线转换器。

去年,我们看到许多制造商提供具有四分之一砖1功率的八分之一砖。其中一些制造商是CUI、GE CriTIcal Power、Murata Power SoluTIons和Vicor等。顺便说一句,它们都是基于模拟控制的砖,在输出功率级中加入了硅功率 MOSFET。这些硅基第八块砖的输出电压不受调节。Vicor 是唯一一家在 50 至 55 V DC输入电压范围内提供 500 W 能力的 8/8 砖供应商。这是 1/8 砖格式中实现最多的,尺寸为 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其八分之一砖IB048E120T40N1-00的输出是非稳压软开关的,输入和输出之间的隔离电压为 1500 V。理论上,输出功率为 480 W,因为 12 V 时的最大额定输出电流为 40 A。

为了将开关损耗保持在最低限度,Vicor 的第 8 块砖使用了一种专有的基于变压器的串联谐振拓扑,称为正弦振幅转换器。因此,它可以以 1 MHz 的频率进行开关,同时保持较低的开关损耗和更小的无源器件。结果是满载时的效率非常高,同时在负载变化时保持良好的效率。产品数据表规定在 25°C 环境温度下的峰值效率为 98%(图 1)。这种峰值性能是在 20 A 的中等负载电流和 48 V 输入下实现的。在相同输入 48 V 的满负载下,效率下降到 97.5% 左右,在 10% 的负载下下降到 94%。


图 1:Vicor 的 500 W 八分之一砖 IB048E120T40N1-00
在 48 V 输入和 25°C 环境温度下提供 98% 的峰值效率。

产品数据表显示,在更高的环境温度 55 ° C 下,峰值效率下降到 97.5%,表明即使在高工作温度下性能也很高。在满载时也可以看到类似的低降。由于某些直流总线的工作电压低于 12 V DC ,因此 Vicor 的第 8 块砖还可在 500 W 输出下提供 48 V DC到 9.6 V DC的转换。具有 9.6 V DC输出的典型 500 W 部件是IB050E096T48N1-00。所有 1/8 砖转换器都属于制造商的 VI Brick IBC 系列。

GaN基砖

现在,Efficient Power Conversion Corp. 或EPC采用氮化镓 (GaN) 路线,将宽带隙 (WBG) 器件的优势带入隔离的八分之一砖格式。事实上,它是第一家这样做的公司。在最近于北卡罗来纳州夏洛特举行的 2015 年应用电力电子会议和博览会 (APEC)上,EPC 推出了一款基于 GaN 的 500 W 八分之一砖 DC/DC 转换器演示板EPC9115。然而,与 Vicor 的硅基第八块砖不同,基于 GaN 的 EPC9115 在 42 A 下提供完全稳压的 12 V DC输出,输入电压范围为 48 V DC至 60 V DC. 此外,EPC 基于 GaN 的 EPC9115 采用传统的硬开关 PWM 设计,开关频率为 300 kHz。本设计中使用的增强型 GaN (eGaN) FET 是 60 V、2 mΩ EPC2020和 80 V、2.5 mΩ EPC2021,采用全桥配置,如图 2 所示。eGaN FET 由Texas Instruments驱动 LM5113。

EPC9115 设计师兼 EPC 产品总监 John Glaser 表示,使用软开关技术的 1/8 砖转换器的设计更加复杂,包括其控制。然而,Glaser 指出,采用传统的 PWM 硬开关拓扑使设计和控制变得简单。Glaser 指出,除了消除输出端的串联电容器外,全桥还有助于将热量散布到四个晶体管上。此外,基于 eGaN 的 1/8 砖转换器使用 4:1 集成平面变压器。变压器接近最佳状态,可最大限度地减少铁芯损耗。


图 2:EPC 的基于 eGaN 的 1/8 砖 EPC9115 使用全桥配置来消除串联输出电容器。

除了使用传统的硬开关拓扑之外,八分之一砖 EPC9115 设计还使用电压模式控制,该控制结合了Microchip 16 位数字信号控制器 (DSC),例如DSPIC33FJ06GS101A-I/P,它提供了真正的 DSP 功能MCU的操作。此外,它还为控制回路设计中的实时响应提供了许多外围设备。Microchip 的铂金级数字电源软件库和参考设计支持 DSC。控制器的片上存储器允许用户在软件中配置第八块砖,还可以监控各种输入和输出参数。

EPC9115 第八块砖在满载时提供 96.5% 的峰值效率,即使在负载低至 5A 时也保持相当高的效率(图 3)。然而,基于 GaN 的第八块砖的峰值效率比硅对应物低一个点。Glaser 解释说,虽然 GaN 器件的损耗很低,但磁性器件的损耗相对较高,需要进一步改进。


图 3:EPC 的 500 W 八分之一砖转换器 EPC9115 在 48 V 输入
和满载条件下提供约 96.5% 的峰值效率。环境温度为 25°C。

根据 EPC 的说法,EPC9115 作为演示板提供,以展示在传统拓扑结构中使用 eGaN FET 和 eGaN 驱动器构建第 8 块砖所能实现的高性能。尽管 500 W DC/DC 转换器的占位面积仅为 1/8 砖,但演示板尺寸过大,可以进行连接以进行工作台评估(图 4)。有多种探测点,便于简单的波形测量和效率计算。该板适用于低环境温度和强制风冷的工作台评估。


图 4:EPC9115 是基于 eGaN FET 的 500 W 隔离式八分之一砖 DC/DC 转换器的演示板,
在 42 A 的输入范围内具有完全稳压的 12 V DC输出,输入范围为 40 至 60 V DC。

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