孫海濤，胡南中，，黃 偉，，李海鷗，于宗光

（1.無錫晶凱科技有限公司，江蘇 無錫 214000；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)，電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功率密度容量獲得快速的提升。來自歐洲電力電源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，在2000年時功率密度僅為1.7 W·cm-3，而到2020年預(yù)計開關(guān)電源的功率密度將達(dá)到約80 W·cm-3。另一方面，功率半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)歷近50年的發(fā)展已趨于成熟，其頻率響應(yīng)、擊穿等特性均已接近此類器件的理論極限，這也制約了功率電子技術(shù)向高頻、低功耗、輸入電壓/輸出電壓（Vin/Vout）寬幅變換的方向發(fā)展，同時阻礙了其驅(qū)動產(chǎn)品的小型化。

近年來，寬禁帶氮化鎵半導(dǎo)體因其具有寬禁帶寬度（3.4 eV）、高擊穿場強(qiáng)（3 MV/cm）和很高的二維電子氣濃度（2.5×1013/cm2）等綜合優(yōu)勢，被公認(rèn)為下一代功率半導(dǎo)體技術(shù)并逐漸得到應(yīng)用[1]。美國國防先進(jìn)研究計劃局DARPA于21世紀(jì)初在全球率先啟動了寬禁帶半導(dǎo)體項目（WBGSTI，Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative），包括射頻/微波/毫米波應(yīng)用寬禁帶技術(shù)（RFWBGS，RF/Microwave/Millimeter Wave Technology）和高功率電子器件應(yīng)用寬禁帶技術(shù)（HPE，High Power Electronics）兩個子課題[2]。GaN微波功率器件經(jīng)過近十年的科技攻關(guān)已步入X波段相控陣?yán)走_(dá)工程化應(yīng)用階段，而GaN功率開關(guān)器件仍處于科技攻關(guān)階段，直至2010年美國IR公司才開發(fā)出面積僅為54 mm2、開關(guān)頻率（6 000 kHz）比硅基開關(guān)頻率高6倍、可實現(xiàn)12 V/1.2 V DC/DC Buck的單片功率芯片GaNpowIR，其產(chǎn)品優(yōu)勢在電學(xué)性能、小型化等方面非常明顯。美國EPC公司也于2012年推出了硅基增強(qiáng)型40 V/100 V/200 V低壓、安培量級的GaN低壓功率半導(dǎo)體器件。

鑒于當(dāng)前GaN基電力電子的相關(guān)研究主要圍繞芯片開發(fā)而開展，而關(guān)于此類芯片應(yīng)用技術(shù)的報道并不多。本文重點對基于GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)的Buck轉(zhuǎn)換器EPC9107進(jìn)行較為全面的電學(xué)測試和分析。

2 基本電路及測試方法

本文采用宜普公司（EPC）Buck轉(zhuǎn)換器EPC9107，其原理框圖如圖1所示[3]，采用半橋非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制芯片采用凌力爾特公司降壓穩(wěn)壓器LTC3833集成電路，以匹配柵極驅(qū)動LM5113的接口參數(shù)并驅(qū)動后者。驅(qū)動級采用TI公司的硅基驅(qū)動器LM5113，以高低側(cè)方式驅(qū)動宜普公司（EPC）的氮化鎵基功率器件EPC2015。輸出級匹配輸出電感及電容組成完整的功率級電路。EPC9107工作頻率由LTC3833的RT引腳外接電阻值設(shè)置于1 000 kHz，并預(yù)留接口可使工作頻率同步至一個外部時鐘，反饋環(huán)路采用電流控制模式能快速調(diào)整電壓輸出，并由滑動變阻器精確設(shè)置死區(qū)時間。

圖1 EPC9107電源模塊的電路拓?fù)鋱D

表1給出了EPC9107的具體參數(shù)，其輸出電感值為1 μH，體積為1 953.125 mm3，遠(yuǎn)小于主流電源模塊所采用的電感（感抗6 μH，體積4 349.952 mm3）。

表1 EPC9107參數(shù)（25 ℃）

3 結(jié)果分析及討論

3.1 轉(zhuǎn)換器效率及功率損耗

圖2（a）、（b）分別給出了EPC9107 Buck轉(zhuǎn)換器工作在1 000 kHz的效率和功耗[4]。從圖中可以看出，Buck轉(zhuǎn)換器EPC9107的最高效率可達(dá)到96%左右。參考已知數(shù)據(jù)資料，與基于硅基MOSFET轉(zhuǎn)換器相比，EPC9107效率至少高出2個百分點，而在輸出電流為8 A的情況下，其功耗要比基于硅基MOSFET轉(zhuǎn)換器小，約1 W。

圖2 EPC9107 Buck轉(zhuǎn)換器工作在1000 kHz的效率和功耗與輸出電流的關(guān)系

對EPC9107模塊分析可知，功耗主要來源于高低側(cè)功率管EPC2015和電感L。以輸入電壓12 V、輸出電壓3.3 V和輸出電流15 A的工作狀態(tài)為例，下側(cè)管功耗為0.8 W，其中導(dǎo)通功耗與開關(guān)功耗分別為0.55 W、0.25 W；上側(cè)管功耗為0.7 W，其中導(dǎo)通功耗與開關(guān)功耗分別為0.24 W、0.46 W；電感L功耗為0.8 W。圖3給出了EPC9107在上述工作狀態(tài)下的功耗比例。

3.2 功率密度

本文還對比分析了EPC9107和Interpoint公司硅基DC/DC模塊MTR2805SF的功率密度。當(dāng)前者工作頻率為1 000 kHz時，效率為96.1%，功率密度約為14 W·cm-3；而后者工作頻率為600 kHz時，效率為84%，功率密度僅為1.59 W·cm-3。

產(chǎn)生兩者顯著差異的原因是多方面的。首先從面積來看，EPC9107模塊功率管采用了適合高頻應(yīng)用的超低功耗GaN場效應(yīng)晶體管EPC2015。EPC2015僅占用8.5 mm2的PCB板面積，而MTR2805SF采用的硅基MOSFET卻需要61.5 mm2的PCB板面積。其次從功耗來看，通常提高電源模塊功率密度的措施是提高工作頻率，因硅基MOSFET器件有較大的品質(zhì)因數(shù)，故該模塊產(chǎn)生較大的交疊損耗，難以獲得高的功率密度。而EPC9017模塊采用了品質(zhì)因數(shù)僅為42 nC-mΩ的EPC2015功率器件等，不但能夠很好地匹配高頻控制芯片LTC3833，保證電源模塊工作的高頻應(yīng)用，還最大程度地減小了電源中變壓器、電感、電容等器件的體積，因此模塊總功耗僅為1.98 W，并在模塊中表現(xiàn)出較低的溫度。圖4給出了EPC9107模塊的熱成像測試圖。當(dāng)該模塊偏置于輸入電壓/輸出電壓（Vin/Vout: 28 V/3.3 V）、輸出電流（Iout: 15 A）并處于環(huán)境溫度、大氣溫度均為20 ℃的測試環(huán)境時，模塊熱點溫度約為86.5 ℃，遠(yuǎn)低于器件參數(shù)指標(biāo)。

圖3 EPC9107模塊的功耗比例

圖4 EPC9107模塊的熱成像測試圖

3.3 開關(guān)時間

圖5、圖6給出了EPC9107模塊處于開關(guān)頻率為1 000 kHz、輸出功率為49.5 W時和電源模塊DEBH2528T的半橋開關(guān)中點電壓波形。

從圖5、圖6中可以看出，EPC9107的開關(guān)節(jié)點處電壓上升和下降時間分別略低于4 ns，而DEBH2528T模塊開關(guān)節(jié)點電壓上升和下降時間分別為623.2 ns、652 ns，約是EPC9107的30倍。盡管硅基半導(dǎo)體技術(shù)一直在進(jìn)步，功率器件的最短導(dǎo)通時間已縮短至100～200 ns，因此控制芯片的開關(guān)頻率也可提高至125～250 kHz，甚至接近1 000 kHz，但在這個高頻率下利用周期性的窄脈沖對功率管進(jìn)行良好的開關(guān)控制也存在較多困難。為此，多數(shù)硅基電源模塊仍通過降低開關(guān)工作頻率（通常設(shè)置為25～50 kHz）、減小控制芯片的占空比或提高導(dǎo)通時間來保證負(fù)載變化時的正常電壓安全輸出，但如此低的工作頻率難以與工作頻率為2 000 kHz的高控制芯片LTC3833兼容，并不適用于新一代電源[5]。

圖5 EPC9107模塊的半橋開關(guān)中點電壓波形

圖6 電源模塊DEBH2528T上升沿、下降沿中點電壓波形

另一方面，EPC9107模塊因其ns量級的開關(guān)速度、以本征參數(shù)為主的貼片元器件等優(yōu)勢，故此類電源模塊比硅基電源模塊有更高的dV/dt，且僅有微小的電壓或電流過沖（Overshoot）現(xiàn)象，保證它具有更強(qiáng)的抗干擾度。

3.4 動態(tài)負(fù)載測試

圖7（a）、（b）給出了EPC9107和模塊A兩個模塊動態(tài)負(fù)載變化時的電壓波形。對于EPC9107而言，當(dāng)工作頻率于1 000 kHz、輸入電壓13 V、輸出電壓3.3 V、輸出電流在0～50%Iomax范圍跳變且電流斜率為0.5 A/μs時，電壓波動范圍僅為20 mV。對于模塊DEBH2528T而言，工作頻率于100 kHz、輸入電壓12 V、輸出電壓3.3 V、輸出電流在0～50%Iomax范圍跳變且電流斜率為0.5 A/μs時，該模塊的波動范圍高于EPC9107，約為80 mV。這表明當(dāng)EPC9107負(fù)載有較大變化時，能迅速調(diào)整輸出電壓并恢復(fù)到額定值。究其原因，可歸結(jié)為以下兩點。首先，EPC9107的反饋環(huán)路經(jīng)過優(yōu)化后，控制芯片LTC3833能針對瞬態(tài)事件時的出現(xiàn)迅速提高工作頻率，利用可控的接通時間和谷值電流模式架構(gòu)設(shè)定至非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)模式。其次，因開關(guān)管EPC2015具有納秒量級的開關(guān)速度，控制IC能很容易將導(dǎo)通時間縮短數(shù)倍。因此，新一代EPC9107電源模塊的這一優(yōu)點對如CPU、FPGA的高精度用電負(fù)載尤為重要。

圖7 EPC9107模塊和DEBH2528T模塊的瞬態(tài)響應(yīng)波形

3.5 紋波

紋波是電源系統(tǒng)一個重要的性能指標(biāo)。較大的紋波容易造成浪涌電壓和浪涌電流，產(chǎn)生諧波，降低電源系統(tǒng)效率。圖8給出了EPC9107在負(fù)載電流為5 A時的紋波波形，測試數(shù)據(jù)顯示紋波16.4 mV。減小紋波是從多方面入手的。首先，優(yōu)化整個閉環(huán)電路方案，合理設(shè)定環(huán)路電路的開環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)參數(shù)，保證足夠的環(huán)路穩(wěn)定裕量。其次，要有良好的物理級版圖設(shè)計。PCB版圖采用4層結(jié)構(gòu)，取樣信號與di/dt大信號電學(xué)隔離，并盡可能降低功率信號線對整個電路產(chǎn)生的影響。最后，不斷改善EPC2015器件特性，降低表面態(tài)對電子俘獲的幾率，以有效削弱電流崩塌效應(yīng)。

圖8 EPC9107在負(fù)載為5 A時的紋波波形

4 結(jié)論

本文對宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）Buck轉(zhuǎn)換器EPC9107進(jìn)行參數(shù)測試。測試數(shù)據(jù)表明，EPC9107電源模塊處于開關(guān)頻率1 000 kHz、寬幅輸入電壓12～28 V時，輸出電壓恒定3.3 V，效率約為96.1%，且結(jié)溫較低，約為86.5 ℃。該模塊整體性能指標(biāo)優(yōu)于基于MOSFET的DC/DC電源模塊。

致謝

特別感謝美國EPC公司的Larry在測試過程中給予的技術(shù)支持。

[1]趙正平.GaN功率開關(guān)器件的發(fā)展與微尺度功率變換[C].第六屆中國微納電子技術(shù)交流與學(xué)術(shù)研討會，2013.1-2.

[2]張倩，胡開博.國外氮化鎵器件發(fā)展現(xiàn)狀研究[C].第六屆中國微納電子技術(shù)交流與學(xué)術(shù)研討會，2013.17-19.

[3]Alex Lidow,Johan Strydom,Michael de Rooij,Yanping Ma.氮化鎵晶體管-高效功率轉(zhuǎn)換器件[M].E1 Segundo MMXⅡ，2012.

[4]朱鵬.功率MOSFET在電源系統(tǒng)中的損耗分析[C].第六屆中國微納電子技術(shù)交流與學(xué)術(shù)研討會，2013.236-240.

[5]Johan Strydom,EI Segundo,Calif ,Bob White.High Step-Down Ratio Buck Converters With eGaN Devices[R].2010.