Использование eGaN-транзисторов для построения источников питания. Часть 2: DC/DC-преобразователь 12/1 В на базе EPC2111 и модулей EPC9204

Данный цикл статей посвящен вопросам создания источников питания на базе нитрид-галлиевых транзисторов и модулей. В данной статье кратко рассматриваются преимущества использования eGaN-транзисторов EPC2111 и модулей EPC9204 на примере создания DC/DC-преобразователя 12/1 В
407
В избранное

Данный цикл статей посвящен вопросам создания источников питания на базе нитрид-галлиевых транзисторов и модулей. В данной статье кратко рассматриваются преимущества использования eGaN-транзисторов EPC2111 и модулей EPC9204 на примере создания DC/DC-преобразователя 12/1 В.

Зачем нужен преобразователь 12/1 В?

В предыдущей части данного цикла уже говорилось о преимуществах распределенной системы питания, в которой потребители используют общую шину 48 В. В такой системе у каждого потребителя есть собственный POL-преобразователь, позволяющий понижать входное напряжение 48 В до более приемлемого уровня 12 В или 5 В. В то же время напряжение 12 В, хотя и может использоваться различными аналоговыми схемами, но оказывается слишком высоким для современных цифровых ИС, требующих напряжений питания 3,3 В и даже ниже.

Хорошо известно, что потребление ИС сильно зависит от напряжения питания. Чем меньше рабочее напряжение, тем меньше потребление. По этой причине напряжение питания цифровых ИС стремятся максимально снизить. Если в первых поколениях логических КМОП-вентилей применялась 15 В логика, то в дальнейшем появились 5 В КМОП, 3,3 В КМОП, 1,8 КМОП. Самые современные процессоры используют напряжение 1/1,2 В, при этом ядро может питаться и от 0,8 В. Таким образом, процессоры, микроконтроллеры или ПЛИС требуют дополнительной ступени преобразования напряжения, например, 12 В →1 В.

Стоит заметить, что степень интеграции ИС постоянно возрастает. В результате увеличения числа интегральных транзисторов происходит неизбежный рост потребления тока. По этой причине для питания мощных процессоров редко используются линейные стабилизаторы. Чтобы обеспечить высокий выходной ток, применяют импульсные понижающие DC/DC-преобразователи.

Современные приложения требуют постоянного увеличения плотности мощности, то есть повышения выходной мощности и одновременного уменьшения габаритов. Проблему уменьшения габаритов можно решить за счет роста частоты коммутации. Увеличение рабочей частоты позволяет применять менее габаритные элементы выходного фильтра (конденсаторы и дроссель). Однако динамические потери на переключения неизбежно возрастают, увеличивая выделение тепла. К сожалению, проблема генерации и отвода тепла становится очень острой и ограничивает использование традиционных кремниевых силовых ключей. Именно в таких случаях переход на нитрид-галлиевые транзисторы позволяет добиваться требуемых показателей эффективности и удельной мощности.

В прошлой статье был рассмотрен пример компактного, бюджетного, высокоэффективного неизолированного DC/DC-преобразователя 48/12 В, построенного на базе eGaN-транзисторов EPC2045. В данной статье будет рассмотрен DC/DC-преобразователь 12/1 В, построенный на базе модуля EPC9204 с полумостовой сборкой EPC2111. Этот преобразователь обеспечивает выходной ток до 10 А и плотность мощности 1000 Вт/дюйм3.

Транзисторная сборка EPC2111

EPC2111 – несимметричная полумостовая сборка из eGaN-транзисторов четвертого поколения (рис. 1). В состав сборки входит пара транзисторов Q1 и Q2. Так как сборка предназначена для создания синхронных понижающих преобразователей, то полумост является асимметричным, то есть транзисторы имеют разные характеристики. Сопротивление открытого канала верхнего транзистора Q1 составляет 19 мОм, а сопротивление нижнего транзистора Q2 8 мОм. Ключи имеют одинаковую постоянную нагрузочную способность 16 А, но допустимая импульсная нагрузка для этих ключей разная: до 50 А у Q1 и до 140 А у Q2.

EPC2111 – несимметричная полумостовая сборка из eGaN-транзисторов с рейтингом напряжения 30 В

Рис. 1. EPC2111 – несимметричная полумостовая сборка из eGaN-транзисторов с рейтингом напряжения 30 В

Если сравнивать с кремниевыми аналогами, то площадь, занимаемая сборкой EPC2111, оказывается в семь раз меньше. При этом EPC2111 обладает низкой паразитной емкостью и зарядом, что позволяет ей работать с частотой переключений до 10 МГц.

EPC2111 - не единственная полумостовая сборка в номенклатуре компании epc (рис. 2). К услугам разработчиков предлагаются модели с рейтингом напряжения до 100 В.

eGaN-сборки от epc имеют рейтинг напряжения 30…100 В и сопротивление канала 2,1…70 мОм

Рис. 2. eGaN-сборки от epc имеют рейтинг напряжения 30…100 В и сопротивление канала 2,1…70 мОм

Силовой модуль EPC9204

Для оценки эффективности eGaN-сборок EPC2111 можно воспользоваться готовым силовым модулем EPC9204 (рис. 3). Габариты модуля составляют 8 х 16 мм, а высота всего 1,2 мм.

Силовой оценочный модуль EPC9204

Рис. 3. Силовой оценочный модуль EPC9204

Блок-схема модуля EPC9204 представлена на рис. 4. Модуль оптимизирован для создания синхронных понижающих преобразователей. EPC9204 имеет в своем составе полумост EPC2111, драйвер PE29102 от компании pSemi Corp., керамические входные и выходные конденсаторы, силовой дроссель, датчик тока MAX9929 от Maxim и прецизионный датчик температуры LMT70 от Texas Instruments.

Блок-схема модуля EPC9204

Рис. 4. Блок-схема модуля EPC9204

Модуль EPC9204 требует напряжения питания 4,5…5,5 В (для драйвера) и способен работать с напряжением шины до 20 В. Максимальный выходной ток модуля составляет 10 А, а рекомендуемая рабочая частота не должна превышать 5 МГц.

Для подтверждения высокой эффективности сборки EPC2111 были проведены испытания DC/DC-преобразователя 12/1 В, построенного на базе модуля EPC9204.

Проверка эффективности модулей EPC9205

КПД исследуемого DC/DC-преобразователя 12/1 В зависит от выходного тока нагрузки и от рабочей частоты. График зависимости КПД от тока нагрузки при различных рабочих частотах представлен на рис. 5. Как видно из графика, при использовании частоты коммутаций 3 МГц КПД преобразователя достигает пикового значения 80% при выходном токе 5 А.

Зависимость КПД DC/DC-преобразователя 12/1 В на базе модуля EPC9204

Рис. 5. Зависимость КПД DC/DC-преобразователя 12/1 В на базе модуля EPC9204

Как уже отмечалось выше, важным вопросом для мощных преобразователей становится вопрос разогрева силовых ключей и отвода генерируемого тепла. При работе DC/DC-преобразователя в штатном режиме (входное напряжение 12 В, выходное напряжение 1 В, выходной ток 10 А, частота коммутаций 5 МГц) силовая сборка разогревается до 98ºC при потоке воздуха 300 LFM. Картина разогрева силового модуля и в частности транзисторной сборки EPC2111 представлена на рис. 6.

 

Рис. 6. Разогрев силового транзистора модуля EPC9204 в DC/DC-преобразователе 12/1 В при токе 10 А и потоке воздуха 300 LFM

Большой проблемой при работе с eGaN-транзисторами становится значительный шум, возникающий из-за высокой скорости изменения напряжений при коммутациях dv/dt. Как видно из осциллограммы напряжения на узле коммутации (VSW), при включении верхнего транзистора наблюдаются значительные осцилляции частотой около 500 МГц. При выключении осцилляции отсутствуют.

Осциллограммы напряжений при коммутации силовых ключей в EPC9204

Рис. 7. Осциллограммы напряжений при коммутации силовых ключей в EPC9204

Стоимость

Большое значение для источников питания имеет стоимость. Перечень используемых компонентов и калькуляция стоимости 1 Вт выходной мощности для модуля EPC9204 представлена в таблице 1. В данном случае речь идет о массовом производстве 500 тысяч штук. В результате расчета стоимость составила $0,2 за 1 Ватт.

Таблица 1. Перечень используемых компонентов и калькуляция стоимости 1 Вт выходной мощности для модуля EPC9204

Компонент Количество Наименование
eGaN-полумост 1 EPC2111
Дроссель 100 yUy 1 IHLP1616ABERR10M01
Входные конденсаторы (2,2 мкФ 25В) 1 C1005X5R1E225M050BC
Выходные конденсаторы (2,2 мкФ 6,3В) 4 CL05A226MQ5QUNC
Драйвер 5 PE29102
Итого   Менее $0,2 за Ватт

Работа с нагрузкой большой мощности

Для более тщательного исследования всех особенностей и возможностей транзисторной сборки EPC2111 можно воспользоваться отладочной платой EPC9086 (рис. 8). В состав EPC9086 входит сборка EPC2111, драйвер PE29102, стабилизатор MCP1703 и пассивные компоненты.

Плата EPC9086 позволяет оценить возможности транзисторной сборки EPC2111

Рис. 8. Плата EPC9086 позволяет оценить возможности транзисторной сборки EPC2111

Заключение

В статье были кратко рассмотрены преимущества использования eGaN-транзисторов на примере DC/DC-преобразователя 12/1 В с выходным током 10 А на базе силового модуля EPC9204, использующего транзисторную eGaN-сборку EPC2111. Благодаря высокой нагрузочной способности и компактным габаритам, EPC9204 обеспечивает плотность мощности 1000 Вт/дюйм3.

Характеристики транзисторной сборки EPC2111:

  • Тип сборки: транзисторный полумост;
  • Рейтинг напряжения сток-исток (Q1 и Q2): 30 В;
  • Постоянный ток: 16 А (Q1), 16 А (Q2);
  • Импульсный ток: 50 А (Q1), 140 А (Q2);
  • Пороговое напряжение: 0,8…2,5 В;
  • Сопротивление открытого канала (типовое): 14 мОм (Q1), 6 мОм (Q2);
  • Диапазон рабочих температур: −40…150 °C
  • Корпусное исполнение: 3,5 x1,5 мм.

Предыдущая глава:

Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2111ENGRT
EPC2111ENGRT
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2300751 ИНФО RD DT
Поиск
предложений
Несимметричная полумостовая сборка из eGaN-транзисторов четвертого поколения.
EPC2111ENGRT
-
Поиск
предложений
EPC9205
EPC9205
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3086920 ИНФО AN
Поиск
предложений
Силовой модуль EPC9205 построен по схеме синхронного понижающего преобразователя на базе транзисторов EPC2045 и имеет габаритные размеры всего 22 х с13,5 мм.
EPC9205
-
Поиск
предложений
EPC9204
EPC9204
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3086922 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
EPC9204 - силовой модуль для оценки эффективности eGaN-сборок EPC2111. Габариты модуля 8х16 мм, высота 1,2 мм.
EPC9204
-
Поиск
предложений
EPC9086
EPC9086
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3086930 ИНФО
Поиск
предложений
Отладочная плата EPC9086. В состав платы входит сборка EPC2111, драйвер PE29102, стабилизатор MCP1703 и пассивные компоненты.
EPC9086
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()