新一代GaN基DC/DC Buck电源模块测试与分析

孙海涛，胡南中，，黄 伟，，李海鸥，于宗光

（1.无锡晶凯科技有限公司，江苏 无锡 214000；2.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 前言

进入21世纪，电源转换系统的功率密度容量获得快速的提升。来自欧洲电力电源局数据显示，在2000年时功率密度仅为1.7 W·cm-3，而到2020年预计开关电源的功率密度将达到约80 W·cm-3。另一方面，功率半导体技术经历近50年的发展已趋于成熟，其频率响应、击穿等特性均已接近此类器件的理论极限，这也制约了功率电子技术向高频、低功耗、输入电压/输出电压（Vin/Vout）宽幅变换的方向发展，同时阻碍了其驱动产品的小型化。

近年来，宽禁带氮化镓半导体因其具有宽禁带宽度（3.4 eV）、高击穿场强（3 MV/cm）和很高的二维电子气浓度（2.5×1013/cm2）等综合优势，被公认为下一代功率半导体技术并逐渐得到应用[1]。美国国防先进研究计划局DARPA于21世纪初在全球率先启动了宽禁带半导体项目（WBGSTI，Wide Bandgap Semiconductor Technology Initiative），包括射频/微波/毫米波应用宽禁带技术（RFWBGS，RF/Microwave/Millimeter Wave Technology）和高功率电子器件应用宽禁带技术（HPE，High Power Electronics）两个子课题[2]。GaN微波功率器件经过近十年的科技攻关已步入X波段相控阵雷达工程化应用阶段，而GaN功率开关器件仍处于科技攻关阶段，直至2010年美国IR公司才开发出面积仅为54 mm2、开关频率（6 000 kHz）比硅基开关频率高6倍、可实现12 V/1.2 V DC/DC Buck的单片功率芯片GaNpowIR，其产品优势在电学性能、小型化等方面非常明显。美国EPC公司也于2012年推出了硅基增强型40 V/100 V/200 V低压、安培量级的GaN低压功率半导体器件。

鉴于当前GaN基电力电子的相关研究主要围绕芯片开发而开展，而关于此类芯片应用技术的报道并不多。本文重点对基于GaN功率半导体技术的Buck转换器EPC9107进行较为全面的电学测试和分析。

2 基本电路及测试方法

本文采用宜普公司（EPC）Buck转换器EPC9107，其原理框图如图1所示[3]，采用半桥非隔离拓扑结构，控制芯片采用凌力尔特公司降压稳压器LTC3833集成电路，以匹配栅极驱动LM5113的接口参数并驱动后者。驱动级采用TI公司的硅基驱动器LM5113，以高低侧方式驱动宜普公司（EPC）的氮化镓基功率器件EPC2015。输出级匹配输出电感及电容组成完整的功率级电路。EPC9107工作频率由LTC3833的RT引脚外接电阻值设置于1 000 kHz，并预留接口可使工作频率同步至一个外部时钟，反馈环路采用电流控制模式能快速调整电压输出，并由滑动变阻器精确设置死区时间。

图1 EPC9107电源模块的电路拓扑图

表1给出了EPC9107的具体参数，其输出电感值为1 μH，体积为1 953.125 mm3，远小于主流电源模块所采用的电感（感抗6 μH，体积4 349.952 mm3）。

表1 EPC9107参数（25 ℃）

3 结果分析及讨论

3.1 转换器效率及功率损耗

图2（a）、（b）分别给出了EPC9107 Buck转换器工作在1 000 kHz的效率和功耗[4]。从图中可以看出，Buck转换器EPC9107的最高效率可达到96%左右。参考已知数据资料，与基于硅基MOSFET转换器相比，EPC9107效率至少高出2个百分点，而在输出电流为8 A的情况下，其功耗要比基于硅基MOSFET转换器小，约1 W。

图2 EPC9107 Buck转换器工作在1000 kHz的效率和功耗与输出电流的关系

对EPC9107模块分析可知，功耗主要来源于高低侧功率管EPC2015和电感L。以输入电压12 V、输出电压3.3 V和输出电流15 A的工作状态为例，下侧管功耗为0.8 W，其中导通功耗与开关功耗分别为0.55 W、0.25 W；上侧管功耗为0.7 W，其中导通功耗与开关功耗分别为0.24 W、0.46 W；电感L功耗为0.8 W。图3给出了EPC9107在上述工作状态下的功耗比例。

3.2 功率密度

本文还对比分析了EPC9107和Interpoint公司硅基DC/DC模块MTR2805SF的功率密度。当前者工作频率为1 000 kHz时，效率为96.1%，功率密度约为14 W·cm-3；而后者工作频率为600 kHz时，效率为84%，功率密度仅为1.59 W·cm-3。

产生两者显著差异的原因是多方面的。首先从面积来看，EPC9107模块功率管采用了适合高频应用的超低功耗GaN场效应晶体管EPC2015。EPC2015仅占用8.5 mm2的PCB板面积，而MTR2805SF采用的硅基MOSFET却需要61.5 mm2的PCB板面积。其次从功耗来看，通常提高电源模块功率密度的措施是提高工作频率，因硅基MOSFET器件有较大的品质因数，故该模块产生较大的交叠损耗，难以获得高的功率密度。而EPC9017模块采用了品质因数仅为42 nC-mΩ的EPC2015功率器件等，不但能够很好地匹配高频控制芯片LTC3833，保证电源模块工作的高频应用，还最大程度地减小了电源中变压器、电感、电容等器件的体积，因此模块总功耗仅为1.98 W，并在模块中表现出较低的温度。图4给出了EPC9107模块的热成像测试图。当该模块偏置于输入电压/输出电压（Vin/Vout: 28 V/3.3 V）、输出电流（Iout: 15 A）并处于环境温度、大气温度均为20 ℃的测试环境时，模块热点温度约为86.5 ℃，远低于器件参数指标。

图3 EPC9107模块的功耗比例

图4 EPC9107模块的热成像测试图

3.3 开关时间

图5、图6给出了EPC9107模块处于开关频率为1 000 kHz、输出功率为49.5 W时和电源模块DEBH2528T的半桥开关中点电压波形。

从图5、图6中可以看出，EPC9107的开关节点处电压上升和下降时间分别略低于4 ns，而DEBH2528T模块开关节点电压上升和下降时间分别为623.2 ns、652 ns，约是EPC9107的30倍。尽管硅基半导体技术一直在进步，功率器件的最短导通时间已缩短至100～200 ns，因此控制芯片的开关频率也可提高至125～250 kHz，甚至接近1 000 kHz，但在这个高频率下利用周期性的窄脉冲对功率管进行良好的开关控制也存在较多困难。为此，多数硅基电源模块仍通过降低开关工作频率（通常设置为25～50 kHz）、减小控制芯片的占空比或提高导通时间来保证负载变化时的正常电压安全输出，但如此低的工作频率难以与工作频率为2 000 kHz的高控制芯片LTC3833兼容，并不适用于新一代电源[5]。

图5 EPC9107模块的半桥开关中点电压波形

图6 电源模块DEBH2528T上升沿、下降沿中点电压波形

另一方面，EPC9107模块因其ns量级的开关速度、以本征参数为主的贴片元器件等优势，故此类电源模块比硅基电源模块有更高的dV/dt，且仅有微小的电压或电流过冲（Overshoot）现象，保证它具有更强的抗干扰度。

3.4 动态负载测试

图7（a）、（b）给出了EPC9107和模块A两个模块动态负载变化时的电压波形。对于EPC9107而言，当工作频率于1 000 kHz、输入电压13 V、输出电压3.3 V、输出电流在0～50%Iomax范围跳变且电流斜率为0.5 A/μs时，电压波动范围仅为20 mV。对于模块DEBH2528T而言，工作频率于100 kHz、输入电压12 V、输出电压3.3 V、输出电流在0～50%Iomax范围跳变且电流斜率为0.5 A/μs时，该模块的波动范围高于EPC9107，约为80 mV。这表明当EPC9107负载有较大变化时，能迅速调整输出电压并恢复到额定值。究其原因，可归结为以下两点。首先，EPC9107的反馈环路经过优化后，控制芯片LTC3833能针对瞬态事件时的出现迅速提高工作频率，利用可控的接通时间和谷值电流模式架构设定至非常快的瞬态响应模式。其次，因开关管EPC2015具有纳秒量级的开关速度，控制IC能很容易将导通时间缩短数倍。因此，新一代EPC9107电源模块的这一优点对如CPU、FPGA的高精度用电负载尤为重要。

图7 EPC9107模块和DEBH2528T模块的瞬态响应波形

3.5 纹波

纹波是电源系统一个重要的性能指标。较大的纹波容易造成浪涌电压和浪涌电流，产生谐波，降低电源系统效率。图8给出了EPC9107在负载电流为5 A时的纹波波形，测试数据显示纹波16.4 mV。减小纹波是从多方面入手的。首先，优化整个闭环电路方案，合理设定环路电路的开环放大倍数及闭环参数，保证足够的环路稳定裕量。其次，要有良好的物理级版图设计。PCB版图采用4层结构，取样信号与di/dt大信号电学隔离，并尽可能降低功率信号线对整个电路产生的影响。最后，不断改善EPC2015器件特性，降低表面态对电子俘获的几率，以有效削弱电流崩塌效应。

图8 EPC9107在负载为5 A时的纹波波形

4 结论

本文对宜普电源转换公司（EPC）Buck转换器EPC9107进行参数测试。测试数据表明，EPC9107电源模块处于开关频率1 000 kHz、宽幅输入电压12～28 V时，输出电压恒定3.3 V，效率约为96.1%，且结温较低，约为86.5 ℃。该模块整体性能指标优于基于MOSFET的DC/DC电源模块。

致谢

特别感谢美国EPC公司的Larry在测试过程中给予的技术支持。

[1]赵正平.GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换[C].第六届中国微纳电子技术交流与学术研讨会，2013.1-2.

[2]张倩，胡开博.国外氮化镓器件发展现状研究[C].第六届中国微纳电子技术交流与学术研讨会，2013.17-19.

[3]Alex Lidow,Johan Strydom,Michael de Rooij,Yanping Ma.氮化镓晶体管-高效功率转换器件[M].E1 Segundo MMXⅡ，2012.

[4]朱鹏.功率MOSFET在电源系统中的损耗分析[C].第六届中国微纳电子技术交流与学术研讨会，2013.236-240.

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