宜普电源转化公司张远哲博士及Michael de Rooij博士
张远哲博士
Michael de Rooij 博士
咱们在较早前宣布的文章中为咱们介绍了作业在10 MHz的硬开关降压转化器，而且展现了氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)在包络盯梢(ET)电源领域中的潜力[1]。
本篇文章将进一步论述面向运用第四代移动通讯技能(4G)LTE频带的无线通讯基站根底设施并选用EPC8004高频氮化镓场效应晶体管规划的包络盯梢电源。包络盯梢电源是以多相位、选用零电压开关形式(ZVS)的同步降压转化器为根底，它能够支撑20 MHz的大信号带宽，而且以30 V电压源供给60 W以上的均匀负载功率。当盯梢峰均比(PAPR)为7 dB的20 MHz LTE包络信号，可完成的均匀总功率可高达92%。
运用软开关的多相位拓扑
咱们选用的是一个四相位同步降压脉宽调制(PWM)拓扑(见图1)。相邻相位的PWM操控信号被相移了90度。每个相位在25 MHz下开关，使得整个转化器能够完成100 MHz的输出开关频率。咱们运用阻性负载来代表射频功率放大器(RFPA)，一起规划了支撑零电压开关、20 MHz带宽的四阶滤波器，然后能够高效地作业和相位电流可主动平衡[2]。印刷电路板(PCB)的布局是依据[3]的规划而得以优化[3]。
图1：运用四阶输出滤波器的四相同步降压转化器的方框图。
具有低损耗而且高速的栅极驱动器
规划支撑在高频开关的栅极驱动器极具挑战性，尤其是对半桥装备中的高侧场效应晶体管来说。专为较大电流、较低频率的运用而规划的传统自举半桥栅极驱动器(例如LM5113[4])一般都具有很大的损耗，这是因为自举二极管的反向恢复电荷所引致。这样会约束了最高的开关频率。为了到达25 MHz开关频率并一起坚持高功率，咱们选用了同步场效应晶体管自举电源[5]。
咱们在[4]介绍一种在高频率下运用LM5113驱动器的办法，并经过适宜的电路来停用其内部自举二极管。但是，在这种运用中还运用了其他一种不同的办法，这种办法并没有运用LM5113驱动器，而是运用了数字隔离器(ISO721MD)[6]和超高速逻辑(SN74LVC2G14) [7]，如图2所示。为了把寄生和相关的损耗减至最小，咱们选用具有最小电气和物理占板面积的氮化镓场效应晶体管EPC2038作为同步自举场效应晶体管(QBTST)。低侧场效应晶体管驱动器包含与高侧相同的组件以具有匹配的传达推迟特性。
图2：针对体系转化器的单个相位并选用同步FET自举电源的栅极驱动电路的原理图。
丈量静态功率
咱们在不同的稳态作业电压对包络盯梢电源进行评价。图3显现了在占空比规模(输出电压)内丈量所得的功率级功率，以及包含栅极驱动器损耗在内的总功率。在大约D=0.5或15 V输出电压时的功率级峰值功率和总峰值功率别离大于94%和93%。因为氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)没有装置散热器而使得散热受限，因而咱们没有对高于17 V的不同输出电压丈量其静态功率。
图3显现了带宽为20 MHz、 峰均比为7dB的LTE包络信号的概率散布函数(PDF)。即便输出电压规模是5 V至28 V，呈现约9 V至15 V的电压的可能性也相当大。尽管如此，在整个规模内的功率级功率都超越90%。
图3：丈量所得的20 MHz LTE包络信号的稳态功率级功率和总功率，以及概率散布函数(PDF)。
丈量动态包络盯梢
20MHz LTE包络信号被转化成8个PWM信号，别离用于操控四相位中的高侧和低侧场效应晶体管。这电路级还使用适宜的死区时刻来完成零电压开关操作。PWM信号被储存在 Altera® Arria® V FPGA[8]内，而且被发送至栅极驱动器。脉冲宽度的分辨率大约为0.2 ns，然后能够精细地调整占空比和死区时刻，使得包络盯梢具有高信号保真度。图4显现了LTE包络信号产生器体系的方框图。
图4: 包络盯梢信号产生的简图。
包络盯梢电源的输出是用1 GHz差分探头进行丈量的(TDP1000)。图5将丈量所得的输出电压的取样与参阅电压进行了比较。对应7 dB的峰均功率比值，均匀输出功率是67 W，而峰值功率是346 W。均匀功率级功率和总功率别离是93%和92%。这种办法完成了准确的追寻，归一化的均方根差错(NRMSE)仅为1.2%，丈量所得的最大电流转化速率是180 A/μs。
图5：包络参阅信号和丈量所得的LTE包络信号。
总结
氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)和IC在开关电源(SMPS)能够完成十分高的开关频率，然后在许多运用中，假如带宽、转化速率和功率都是运用所需的关键因素的话，氮化镓场效应晶体管能够协助工程师在运用中完成严重的功能打破。包络盯梢便是这些运用的其间一种。
因为具有较低的输入和输出电容(CISS and COSS)，以及较低的栅极电荷(QG) [9]，根据氮化镓器材的开关转化器能够以很高的功率作业在数十MHz的开关频率。在比如多相和多级其他各种拓扑中，选用氮化镓器材规划的开关转化器能够完成高带宽以满意现代比如4G LTE无线通讯规范的需求。
选用根据氮化镓场效应晶体管(EPC8004)四相位软开关降压转化器规划的包络盯梢电源能够准确地盯梢峰均比(PAPR)为7 dB的20 MHz LTE包络信号，其总功率可超越92%，并可供给60 W的均匀功率。此外，这种规划的可扩展功能能够支撑不同的功率等级，工程师只需挑选不同的EPC场效应晶体管规划不同体系以满意不同功率级其他需求。
eGaN® 是Efficient Power Conversion Corporation宜普电源转化公司的注册商标。
参阅资料:
[1] A. Lidow, “WiGaN: eGaN FETs for hard-switching converters at high frequency,” EEWeb: Wireless RF Magazine, pp. 12–17, August 2014.
[2] Y. Zhang, M. Rodriguez, and D. Maksimovic, “Output filter design in high-efficiency wide-bandwidth multi-phase buck envelope amplifiers,” Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 2015, pp. 2026–2032.
[3] D. Reusch and J. Glaser, DC-DC Conversion Handbook: A Supplement to GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Efficient Power Publications, 1st Edition, 2015. ISBN 978-0-9966492-0-9.
[4] http://www.ti.com/product/LM5113
[5] M. A. de Rooij, Wireless Power Handbook, Second Edition, El Segundo, October 2015, ISBN 978-0-9966492-1-6.
[6] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso721m.pdf
[7] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc2g14.pdf
[8] https://www.altera.com/products/fpga/arria-series/arria-v/overview.html
[9] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Second Edition, Wiley, ISBN 978-1-118-84476-2.
