隔離型磚式轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于電信系統(tǒng)，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電，這些轉(zhuǎn)換器可以提供各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸及輸入/輸出電壓范圍。它們的模塊性、功率密度、可靠性和多功能性簡化了隔離式電源應(yīng)用，并在某種程度上商品化了隔離電源市場。這些轉(zhuǎn)換器的一個共同特點(diǎn)是輸入/輸出功率器件的額定電壓都在100V或以下。然而，市場上的隔離型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用要求具有更高的器件電壓，例如PoE-PSE（以太網(wǎng)供電的供電設(shè)備）。這些轉(zhuǎn)換器更能受益于氮化鎵場效應(yīng)晶體管（eGaN FET）增高額定電壓所帶來的優(yōu)勢。本文將構(gòu)建基于eGaN FET的半磚轉(zhuǎn)換器，并與類似的最先進(jìn)硅MOSFET磚式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較。

隔離型PoE-PSE轉(zhuǎn)換器簡介

過去幾年里，以太網(wǎng)供電（PoE）標(biāo)準(zhǔn)已逐漸形成。主要焦點(diǎn)是在新等級和新類型的設(shè)備里，功率有系統(tǒng)地增加。根據(jù)有關(guān)以太網(wǎng)供電的IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，供電設(shè)備（PSE）要求PoE Type 1的輸出電壓在44V至57V之間，PoE Type 2（PoE+）的輸出電壓在50V至57V之間。以太網(wǎng)開關(guān)的每個端口都必須能夠輸出15.4W（Type 1）或25.5W（Type 2）功率。對供電設(shè)備來說，輸出要求某種形式的穩(wěn)壓，但是無需進(jìn)行嚴(yán)格的穩(wěn)壓。有趣的是，最低電壓的增加是因功率電平增加而增加了最大線性壓降，未來供電設(shè)備則可能要求接近最大值57V的更小電壓范圍。對于具有24、36或48個端口的典型以太網(wǎng)開關(guān)來說，其要求的總供電設(shè)備的功率可能高達(dá)1.2kW。這便推動了對更高效率和更高功率密度的轉(zhuǎn)換器的需求。

由于這些磚式轉(zhuǎn)換器具有規(guī)定尺寸限制，工程師不斷嘗試?yán)脛?chuàng)新方法來提高它們的輸出功率和功率密度。雖然這些想法很多并且千變?nèi)f化，卻都只是與提高系統(tǒng)效率有關(guān)。這是由于轉(zhuǎn)換器的固定體積和散熱方法而構(gòu)成的物理限制。對于半磚轉(zhuǎn)換器來說，很難除去超過35W的損耗，即使是使用強(qiáng)大的氣流和/或基板。圖1顯示了在半磚轉(zhuǎn)換器所要求的最小滿負(fù)荷效率與可實(shí)現(xiàn)的輸出功率之間的關(guān)系。因?yàn)榇蠖鄶?shù)商用的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器已經(jīng)具有95%效率，所以即使是半個百分點(diǎn)效率的改進(jìn)也很重要，并可以使輸出功率再額外增加約100W。然而，每瓦的成本（$/W）是最重要的考慮因素，提高磚式轉(zhuǎn)換器效率及輸出功率可以減少模塊每瓦的總成本。

圖1：半磚轉(zhuǎn)換器達(dá)到指定輸出功率時所需的最低效率（假設(shè)最大功耗為35W）。

比較不同的隔離型PoE-PSE轉(zhuǎn)換器

在嘗試比較半磚PoE-PSE轉(zhuǎn)換器時，不可能進(jìn)行簡單的一對一比較，因?yàn)椴煌纳逃棉D(zhuǎn)換器具有非常多樣化設(shè)計(jì)。每一代電源的輸出功率都有所提高，因?yàn)橹圃焐痰摹白顑?yōu)”設(shè)計(jì)都在結(jié)構(gòu)、版圖和拓?fù)涞确矫孢M(jìn)行了改進(jìn)。要確定“最佳”解決方案是一個反復(fù)的過程，而“最佳”解決方案的定義也不盡相同，進(jìn)一步增加了問題的復(fù)雜性。半磚應(yīng)用的設(shè)計(jì)是多樣化的，一個極好的例子是選擇搭建兩個交錯式轉(zhuǎn)換器還是搭建單個轉(zhuǎn)換器。另外，目前的商用產(chǎn)品都有使用單級轉(zhuǎn)換或兩級轉(zhuǎn)換的方法。

對于較大的磚塊尺寸（比如半磚尺寸），其輸出功率和轉(zhuǎn)換器的總功耗足夠地高，以致每個開關(guān)通常要求使用多個功率器件——從所需熱管理的角度，及最小導(dǎo)通電阻（最大晶片尺寸）的角度來看也是一樣。如果轉(zhuǎn)換器被劃分為兩個（每個負(fù)責(zé)一半的功率），那么功率器件的總數(shù)量將不會受到影響。使用更多電感和變壓器的成本和體積增加也有問題，因?yàn)檫@些器件更小，并且轉(zhuǎn)換器的交錯可允許輸出電容減小。此外，磚塊的尺寸（特別是高度的限制）意味著單個大功率變壓器的高度受限，與兩個較小變壓器的磁芯相比，其磁芯通道的長度可能不是最優(yōu)。其余的差異（柵極驅(qū)動和控制）將有可能成為決定性的因素，也就是說，我們能否接受增加成本來實(shí)現(xiàn)更高的效率及輸出功率？

就像八分之一磚式轉(zhuǎn)換器那樣，開發(fā)基于eGaN FET轉(zhuǎn)換器不一定是一般的最優(yōu)解決方案。相比目前的商用系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是把工作頻率提高許多，用于展示eGaN器件能夠幫助擅長于電源設(shè)計(jì)的工程師開發(fā)出具有更高效率和更高輸出功率的最先進(jìn)的新一代產(chǎn)品。

基于原型eGaN FET的PSE轉(zhuǎn)換器

針對48V至53V基于eGaN FET的半磚供電設(shè)備轉(zhuǎn)換器，可以選擇采用全橋同步整流器（FBSR）拓?fù)涞南嘁迫珮颍≒SFB）轉(zhuǎn)換器（如圖2所示）。由于功率較高，在半磚體積中構(gòu)建了兩個交錯式轉(zhuǎn)換器，而不是采用并聯(lián)器件的單個轉(zhuǎn)換器。這樣做不僅避免了并聯(lián)器件所產(chǎn)生的復(fù)雜性，而且使用兩個獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器理論上允許通過切相來提高輕載時的效率。圖3顯示了一相和兩相工作時的效率結(jié)果，其中采用簡單切相時的輕載效率提高了至少2%。

每個轉(zhuǎn)換器的工作頻率為250kHz，其輸出紋波頻率為1MHz。圖4顯示了更完整的原理圖。其目的是要顯示由于開關(guān)頻率的提高和氮化鎵器件的尺寸相對較小，可以在有限的體積中構(gòu)建兩個這樣的轉(zhuǎn)換器。選擇4:7的變壓器匝比意味著，當(dāng)VIN為60V時，副邊繞組電壓（不包括開關(guān)尖峰）大約為105V，因此，副邊可以使用200V的器件，原邊則可以使用100V的器件。

基于eGaN FET的實(shí)際原型見圖5。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)磚式設(shè)計(jì)不同，磁性元件沒有集成在主印刷電路板上，而是安放在幾個獨(dú)立的印刷電路板上。這樣不僅能夠減少主印刷電路板所需的層數(shù)，而且允許輸出濾波器使用傳統(tǒng)的表面貼裝電感。轉(zhuǎn)換器使用八層、每層兩盎司銅的印刷電路板。變壓器繞組是通過在繞組窗口層疊兩個八層電路板（并聯(lián)）而創(chuàng)建的。

圖2：使用eGaN FET實(shí)現(xiàn)全橋同步整流（FBSR）（兩個半磚、交錯式250kHz轉(zhuǎn)換器）的350W全穩(wěn)壓的相移全橋（PSFB）拓?fù)洹?/p>

圖3：采用基于eGaN FET原型設(shè)計(jì)的半磚PSE轉(zhuǎn)換器在單相（一半轉(zhuǎn)換器斷電）和正常兩相工作時的效率數(shù)據(jù)。

圖4：采用eGaN FET設(shè)計(jì)、工作在250kHz開關(guān)頻率的八分之一磚式、38 V~60 V至53 V/70W轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖5：采用eGaN FET設(shè)計(jì)的48V至53V半磚PSE轉(zhuǎn)換器的頂視圖和底視圖（單位為英寸）。