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使用eGaN®FET的20 MHz带宽包络跟踪电源

2019-03-15

本文中,我们将介绍一种使用EPC8004高频eGaN FET的ET电源,用于4G LTE无线基站基础设施。ET电源基于多相零电压开关(ZVS)同步降压转换器。它提供20 MHz的大信号带宽,从30 V提供超过60 W的平均负载电源。当跟踪具有7 dB峰均功率比(PAPR)的20 MHz LTE包络时,实现92%的平均总效率。 4VI电子头条

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具有软切换的多相拓扑4VI电子头条

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选择四相同步降压脉冲宽度调制(PWM)拓扑,如图1所示。相邻相位的PWM控制信号相移90度。每相25 MHz的开关使整个转换器的有效输出开关频率达到100 MHz。电阻负载用于表示射频功率放大器(RFPA),设计了支持零电压开关的带有20 MHz带宽的四阶滤波器,可实现高效率运行和自动相电流平衡[2]。印刷电路板(PCB)布局根据[3]中的设计实践进行了优化。4VI电子头条

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图1:具有四阶输出滤波器的四相同步降压转换器示意图4VI电子头条

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低损耗高速栅极驱动器4VI电子头条

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支持高频开关的栅极驱动器的设计非常具有挑战性,特别是对于半桥配置中的高侧FET。传统的自举半桥栅极驱动器(例如LM5113 [4])设计用于更高电流,更低频率的应用,由于自举二极管的反向恢复电荷,通常具有高损耗。结果,最大开关频率受到限制。为了在保持高效率的同时实现25 MHz的开关频率,使用同步FET自举电源[5]。4VI电子头条

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在[4]中,介绍了一种在高频下使用LM5113的方法,并采用适当的电路来禁用其内部自举二极管。然而,在该应用中,实现了不同的方法。如图2所示,使用数字隔离器ISO721MD [6]和超高速逻辑门SN74LVC2G14 [7]代替LM5113。选择具有最小电气和物理尺寸的EPC2038作为同步自举FET(QBTST),以实现最小的寄生效应和相关损耗。低侧FET驱动器由与高侧相同的元件组成,用于匹配的传播延迟。4VI电子头条

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图2:具有同步FET自举电源的栅极驱动电路的示意图,用于系统转换器的一个相位4VI电子头条

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静态效率测量4VI电子头条

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ET供应在稳态操作点进行评估。图3显示了在一系列占空比(输出电压)下测量的功率级效率和包括栅极驱动器损耗的总效率。在D = 0.5或15 V输出附近,功率级和总功率的峰值效率分别大于94%和93%。由于热限制,未对高于17 V的输出电压执行静态测量,因为在eGaN FET上没有安装散热器。4VI电子头条

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图2中还显示了20 MHz 7 dB PAPR LTE包络信号的概率分布函数(PDF)。即使输出电压范围为5 V至28 V,也会出现9 V至15 V左右的电压,概率明显更高。然而,整个范围的功率级效率大于90%。4VI电子头条

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图3:测量的稳态功率级效率和总效率; 和20MHz LTE包络信号的概率分布函数(PDF)4VI电子头条

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动态ET测量4VI电子头条

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20 MHz LTE包络信号被转换为8个PWM信号,用于控制四相中的高侧和低侧FET。在此阶段也实施了实现ZVS操作的适当停滞时间。PWM信号存储在Altera®Arria®VFPGA [8]的存储器中,并传输到栅极驱动器。脉冲宽度的分辨率约为0.2 ns,允许精确调整占空比和死区时间,以实现高保真ET性能。LTE信号发生器系统的框图如图4所示。4VI电子头条

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图4:ET信号生成的简化图4VI电子头条

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使用1 GHz差分探头(TDP1000)测量ET电源的输出。将测量的输出电压的样本与图5中的参考进行比较。平均输出功率为67W,峰值为346W,对应于7dB PAPR。平均功率级效率和总效率分别为93%和92%。使用仅1.2%的归一化均方根误差(NRMSE)实现精确跟踪。测得的最大电流压摆率为180 A /μs。4VI电子头条

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图5:参考和测量的LTE包络信号4VI电子头条

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摘要4VI电子头条

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eGaN FET和集成电路有助于在开关模式电源中实现非常高的开关频率,从而在带宽,压摆率和效率至关重要的大量应用中实现突破。ET就是其中之一。4VI电子头条

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由于较低的输入和输出电容(CISS和COSS)和较低的栅极电荷(QG)[9],基于GaN的开关转换器能够以几十兆赫兹的开关频率高效运行。利用多相和多级拓扑结构,GaN开关转换器可以实现高带宽,满足现代无线通信标准(如4G LTE)的要求。4VI电子头条

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采用EPC8004的四相软开关降压转换器的ET电源能够精确跟踪20 MHz 7 dB PAPR LTE包络信号,总效率超过92%,平均功率为60 W. 该设计还可通过选择不同的EPC部件进行扩展,以满足不同的功率水平。4VI电子头条

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eGaN®FET是Efficient Power Conversion Corporation的注册商标。4VI电子头条

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[1]A. Lidow,“WiGaN:用于高频硬开关转换器的eGaN FET”,eeWeb:Wireless&RF Magazine,pp.12-17,2014年8月。4VI电子头条

[2]Y. Zhang,M。Rodriguez和D. Maksimovic,“高效宽带宽多相降压包络放大器中的输出滤波器设计”,Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2015年3月,第2026-2032页。4VI电子头条

[3]D. Reusch和J. Glaser,DC-DC转换手册:用于高效功率转换的GaN晶体管的补充,高效电力出版物,第1版,2015年.ISBN 978-0-9966492-0-9。4VI电子头条

[4]http://www.ti.com/product/LM51134VI电子头条

[5]MA de Rooij,无线电力手册,第二版,El Segundo,2015年10月,ISBN 978-0-9966492-1-6。4VI电子头条

[6]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso721m.pdf4VI电子头条

[7]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc2g14.pdf4VI电子头条

[8]https://www.altera.com/products/fpga/arria-series/arria-v/overview.html4VI电子头条

[9]A. Lidow,J。Strydom,M。de Rooij,D。Reusch,GaN Transistors for Efficient Power Conversion。第二版,Wiley,ISBN 978-1-118-84476-2。4VI电子头条