Многоуровневый ультратонкий DC/DC-преобразователь на eGaN-транзисторах

За последнее десятилетие требования к DC/DC-преобразователям для телекоммуникационной и бытовой электроники постоянно ужесточались. С каждым годом источники питания должны были обеспечивать все более высокую выходную мощность, иметь все более компактные размеры и более высокий КПД. Многоуровневые DC/DC-преобразователи являются одним из наиболее перспективных решений с точки зрения повышения эффективности и снижения габаритных размеров. Дополнительные преимущества многоуровневым DC/DC-преобразователям могут обеспечить eGaN-транзисторы, отличающиеся малыми размерами и низким уровнем потерь. В статье рассматривается трехуровневый преобразователь 48/20 В с цифровым управлением и выходной мощностью 250 Вт, построенный на базе высокоэффективных eGaN-транзисторов. Полный КПД данного преобразователя достигает 97,8%, а его толщина составляет всего 5 мм (с учетом толщины печатной платы).
4446
В избранное

За последнее десятилетие требования к DC/DC-преобразователям для телекоммуникационной и бытовой электроники постоянно ужесточались. С каждым годом источники питания должны были обеспечивать все более высокую выходную мощность, иметь все более компактные размеры и более высокий КПД. Многоуровневые DC/DC-преобразователи являются одним из наиболее перспективных решений с точки зрения повышения эффективности и снижения габаритных размеров. Дополнительные преимущества многоуровневым DC/DC-преобразователям могут обеспечить eGaN-транзисторы, отличающиеся малыми размерами и низким уровнем потерь. В статье рассматривается трехуровневый преобразователь 48/20 В с цифровым управлением и выходной мощностью 250 Вт, построенный на базе высокоэффективных eGaN-транзисторов. Полный КПД данного преобразователя достигает 97,8%, а его толщина составляет всего 5 мм (с учетом толщины печатной платы).

Схема трехуровневого преобразователя на eGaN-транзисторах

Упрощенная схема трехуровневого понижающего преобразователя на eGaN-транзисторах с синхронной схемой накачки показана на рис. 1.

Упрощенная схема трехуровневого преобразователя на eGaN-транзисторах

Рис. 1. Упрощенная схема трехуровневого преобразователя на eGaN-транзисторах

При использовании коэффициента заполнения менее 0,5 работа схемы состоит из нескольких последовательных этапов:

  1. Ток протекает через транзисторы Q1 и Q3. Входное напряжение заряжает плавающий конденсатор СFLY. Энергия накапливается в выходной индуктивности;
  2. Ток протекает через транзисторы Q2 и Q4. Конденсатор СFLY разряжается, а выходная индуктивность продолжает накапливать энергию;
  3. Выходная индуктивность отдает накопленную энергию. Ток протекает через транзисторы Q3 и Q4. При этом в зависимости от конкретного момента времени ток течет либо через открытые каналы обоих транзисторов, либо через открытый канал одного транзистора и обратный диод другого транзистора.

Полный цикл работы схемы включает четыре шага (этап 3 повторяется дважды): 1 → 3 → 2 → 3. Таким образом, эффективная частота импульсов напряжения, приложенных к выходному дросселю, оказывается в два раза выше, чем частота переключений силовых транзисторов, что позволяет уменьшить индуктивность дросселя, по сравнению с традиционными синхронными DC/DC-преобразователями.

В данном конкретном случае частота переключений eGaN-транзисторов в DC/DC-преобразователе составляет 400 кГц, поэтому эффективная частота коммутаций, приложенных к выходному дросселю, равна 800 кГц. При такой частоте коммутаций для нормальной работы схемы достаточно компактного дросселя с индуктивностью 2,4 мкГн и высотой корпуса всего 3,5 мм. При этом DC/DC-преобразователь будет демонстрировать низкие динамические потери при переключениях и, следовательно, высокую общую эффективность, а также хорошие тепловые характеристики. Для управления верхними силовыми транзисторами используется каскадная синхронная схема накачки, которая обеспечивает адекватное напряжение затвора (> 4,5 В).

Управление работой схемы осуществляет трехканальный цифровой контроллер, который определяет выходное напряжение, выполняет мониторинг тока и напряжение на плавающем конденсаторе. В любой момент времени напряжение на плавающем конденсаторе следует поддерживать на уровне половины входного напряжения, чтобы избежать перенапряжений на любом из полевых транзисторов и обеспечить правильную работу схемы.

Высокопроизводительные eGaN-транзисторы для трехступенчатого понижающего преобразователя

Транзистор Q1 блокирует входное напряжение 48 В до того момента, пока плавающий конденсатор не будет заряжен до необходимого уровня. Поскольку транзисторам Q2…Q4 нужно блокировать только половину входного напряжения, то их рейтинг напряжения можно выбирать, исходя из рабочего напряжения 24 В. В данном случае были выбраны следующие eGaN-транзисторы (рис. 2):

  • Q1 – EPC2053 с рейтингом напряжения 100 В и сопротивлением канала RDSon 3,8 мОм;
  • Q2…Q4 – EPC2055 с рейтингом напряжения 40 В и сопротивлением канала RDSon 3,5 мОм.

Оба eGaN-транзистора отличаются крошечными размерами и могут работать при разогреве кристалла до температуры 150 °C.

Внешний вид силовых eGaN-транзисторов EPC2053 (слева) и EPC2055 (справа)  Результаты испытаний

Рис. 2. Внешний вид силовых eGaN-транзисторов EPC2053 (слева) и EPC2055 (справа)

Результаты испытаний

Для проверки эффективности предлагаемого решения был создан тестовый трехуровневый понижающий преобразователь, внешний вид которого представлен на рис. 3. Общая толщина преобразователя с учетом толщины печатной платы составляет всего 5 мм.

Внешний вид трехуровневого преобразователя напряжения 48/20 В

Рис. 3. Внешний вид трехуровневого преобразователя напряжения 48/20 В

В ходе выполнения первой группы испытаний преобразователь работал без активного воздушного охлаждения при выходном токе 12,5 А. При этом наблюдалось повышение температуры силовых ключей до 65 °C. На рис. 4 изображена осциллограмма напряжения на выходе силового каскада (VSW) при выходном токе 8 А. Можно отметить, что напряжение на конденсаторе хорошо сбалансировано во время фаз зарядки и разрядки.

Осциллограмма напряжения на выходе силового каскада (VSW) при выходном токе 8 А

Рис. 4. Осциллограмма напряжения на выходе силового каскада (VSW) при выходном токе 8 А

Зависимость полного КПД трехуровневого преобразователя с выходным напряжением 20 В и с активным воздушным охлаждением (поток воздуха 800 LFM) от выходного тока представлена на рис. 5. Пиковое значение КПД преобразователя составляет 97,8%. При выходном токе более 4 А КПД стабильно превышает 97%.

Полный КПД схемы (с учетом вспомогательного источника питания) при выходном напряжении 20 В

Рис. 5. Полный КПД схемы (с учетом вспомогательного источника питания) при выходном напряжении 20 В

Зависимость полного КПД трехуровневого преобразователя с выходным напряжением 12 В и с активным воздушным охлаждением (поток воздуха 800 LFM) от выходного тока представлена на рис. 6. Максимальный КПД в данном случае достигает 97%.

Полный КПД схемы (с учетом вспомогательного источника питания) при выходном напряжении 12 В

Рис. 6. Полный КПД схемы (с учетом вспомогательного источника питания) при выходном напряжении 12 В

Распределение температуры в трехуровневом понижающем преобразователе 48/20 В в установившемся состоянии при выходном токе 12,5 А и с активным воздушным охлаждением (поток воздуха 800 LFM) представлено на рис. 7. Из рисунка видно, что при использовании активного охлаждения температура силовых транзисторов уменьшилась примерно на 10 °C: с 65 °C до 57 °C. Таким образом, выходная нагрузка преобразователя может быть существенно увеличена.

Распределение температуры в трехуровневом понижающем преобразователе в установившемся состоянии при выходном токе 12,5 А и с активным воздушным охлаждением

Рис. 7. Распределение температуры в трехуровневом понижающем преобразователе в установившемся состоянии при выходном токе 12,5 А и с активным воздушным охлаждением (поток воздуха 800 LFM)

Заключение

Многоуровневая топология понижающего DC/DC-преобразователя, построенного на базе eGaN-транзисторов, может быть использована для создания ультратонких и высокоэффективных источников питания. Рассмотренный в статье трехступенчатый понижающий преобразователь 48/20 В с выходной мощностью 250 Вт, использующий eGaN-транзисторы, продемонстрировал пиковую эффективность 97,8%. При этом его толщина составила всего 5 мм с учетом толщины печатной платы. Многоуровневая топология позволяет использовать низкопрофильные дроссели с низким значением индуктивности. Применение eGaN-транзисторов обеспечивает не только уменьшение площади печатной платы, но и повышение эффективности DC/DC-преобразователя за счет высокой эффективной частоты коммутаций.

Характеристики транзистора EPC2053:

  • Рейтинг напряжения сток-исток: 100 В;
  • Постоянный ток: 48 А;
  • Импульсный ток: 246 А;
  • Пороговое напряжение: 0,8…2,5 В;
  • Сопротивление открытого канала: 3,1 мОм (типовое);
  • Диапазон рабочих температур: −40…150 °C
  • Корпусное исполнение: 3,5 x 2,0 мм.

Источникhttps://epc-co.com

Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2053
EPC2053
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3489076 ИНФО PDF RD
Доступно: 690 шт. 454,11
Выбрать
условия
поставки
Cиловой eGaN-транзистор. Размер корпуса: 3.5 x 2 мм. Напряжение сток-исток: 100 В; импульсный ток: 246 А; сопротивление откр. Канала: 3,1 мОм.
EPC2053 454,11
690 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()