电源设计人员长期面临着熟悉的挑战：如何在更小的空间内提供更高的功率，而不影响效率或引发散热问题。 在 48V 架构中，实现此目标尤为重要，其中中间总线通常必须高效地降至 12V 或更低的电源轨。
在这种情况下，当设计人员为了缩小无源元件尺寸而提高开关频率时会发生些什么，相关问题随之显现。 在使用传统的 Si MOSFET 时，相应的开关损耗可能会降低效率并增加散热难题，从而引发一个问题：低压 GaN 能否提供改善这种权衡取舍所需的额外设计余量。
在 48V 转 12V 电源平台中评估低压 GaN
为了解决此问题，我们评估了一台真实的 48V 转 12V DC/DC 转换器，并将来自 GaN 和 Si MOSFET 实施方案的测量结果进行了比较。 为了执行此评估，我们采用了基于两个瑞萨 RTP100E005G1FL 100V、5mΩ GaN FET 以及 RRP68150 半桥 GaN 栅极驱动器的同步降压转换器，如图 1 所示。 EVB-RTP100E005G1FL 评估板集成了功率器件、栅极驱动器、电感器、输入和输出电容器以及可及测量点。 其为评估效率、功率损耗、开关行为和热性能提供了实际平台。 图 2 展示了 GaN FET 的 3.3mm x 3.3mm FCLGA 封装。
图 1：RTP100E005G1FL 48V 转 12V 同步降压评估平台
图 2：瑞萨 REXGaN 低压 GaN FET
| 参数 | 评估条件 |
|---|---|
| 输入电压 | 48V DC |
| 输出电压 | 12V DC |
| 最大输出电流 | 18A |
| 进行比较的开关频率 | 150kHz、250kHz 和 500kHz |
| 电感器 | 4.7µH |
| GaN FET | RTP100E005G1FL，100V，5.0mΩ |
| 栅极驱动器 | RRP68150 |
电源开关的导通状态电阻是传导损耗的重要来源，但它并非影响转换频率的唯一因素。 开关性能还会受到栅极电荷、栅漏电荷、输出电荷、反向恢复行为、开关速度、死区时间以及功率回路中寄生元件的影响。
测量比较采用了具有 3.3mm x 3.3mm 相似封装的 100V、5.0mΩ GaN FET 和商用版 80V、5.2mΩ Si MOSFET。 此举完成了一场实用的比较，因为标称导通状态电阻和尺寸密切匹配，且除 FET 之外的评估硬件完全相同。 这可以让我们准确观察开关相关特性的影响。
| 参数 | 瑞萨低压 GaN | 可比较 Si MOSFET |
|---|---|---|
| VDS 额定值 | 100V | 80V |
| RDS(on)（典型值） | 5.0mΩ | 5.2mΩ |
| Qg（典型值） | 5.2nC | 19nC |
| Qgd（典型值） | 1nC，50V 时 | 6.4nC，40V 时 |
| Qoss（典型值） | 24.2nC，50V 时 | 39nC，40V 时 |
| Qrr（典型值） | 0nC | 129nC |
GaN 器件开关时需要的栅极电荷更少，储存的输出电荷更少，且没有传统的体二极管反向恢复电荷。 这些特性有助于减少驱动工作量和开关相关能源损耗，同时缩短死区时间。 该优势会随着开关频率的增加而扩大，有助于解释测量结果中逐渐扩大的效率和温度优势。
GaN 的优势随着开关频率的增加而突出
我们的专家在相同的 48V 转 12V 降压转换器平台中使用 4.7µH 电感器评估了 150kHz、250kHz 和 500kHz 下的 GaN 和 Si MOSFET 实施方案。 图 3 中的效率曲线表明，两种解决方案在 150kHz 下的表现相对接近。
在 250kHz 下，GaN 实施方案开始体现出更加清晰的优势；在 500kHz 下，效率差距在大部分测量负载范围内变得更加显著。 在输出电流为 16A 时，这种优势达到了比相对的 Si MOSFET 低出约 3.2W 的功率损耗。
图 3：150kHz、250kHz 和 500kHz 时的测量效率比较情况
此趋势比任何峰值效率值都更加具有参考价值。 在频率较低时，传导损耗和无源元件损耗在总损耗中的占比更大，因此具有相似 RDS(on) 的两个器件会表现出相似的结果。 随着开关频率的增加，开关特性的影响会变得更加显著。 测量曲线描绘了 GaN 在转换器于较高的频率下工作时如何发挥更高的效率。
图 4 中的热测量结果展示了与效率比较一致的趋势。 在 150kHz 下，GaN 和 Si MOSFET 解决方案之间的温度差异相对较小。 随着开关频率增加到 250kHz 和 500kHz，GaN 解决方案温度较低的特性会变得更加明显。 在 500kHz 和 10A 输出电流下，相对的 Si MOSFET 的测量温度达到了约 104°C；GaN 则要低出 22°C。
图 4：150kHz、250kHz 和 500kHz 时的测量器件温度比较情况
图 5 进一步表现了 EVB-RTP100E005G1FL 板在多个开关频率下随着输出电流的变化呈现出的效率和总功率损耗。 在此评估平台的某些条件下，500kHz 操作点的测量效率值最高。 细微的转换效率差异可能代表巨大的功耗差异。 较低的总损耗可以降低半导体温度、减少散热要求、创造额外的热裕度或允许设计人员在增加开关频率的同时维持可接受的效率目标。
图 5：EVB-RTP100E005G1FL 效率和总功率损耗趋势与负载和开关频率的比较情况
如何在实际设计中发挥 GaN 的高频率优势
增加开关频率可以减少无源元件的储能要求，并实现更小的转换器尺寸。 然而，在使用 Si MOSFET 时，更高的开关频率通常会导致更大的开关损耗，降低效率并增加散热难题。 测量比较情况表明，低压 GaN通过减少在较高效率下的效率损失改变了这种权衡取舍。
根据系统设计目标的不同，设计人员可以从以下方案中进行选择：
- 维持原始开关频率并通过降低损耗提高频率和热裕度。
- 增加开关频率以缩小无源元件尺寸，同时优化效率、温度、EMI、元件尺寸和成本之间的权衡取舍，以满足特定系统要求。
这种灵活性是低压 GaN 最主要的系统级优势之一。 它不代表每种 GaN 设计均应在最大效率下运行，而是为工程师提供了更广且更实用的优化范围。
要实现 GaN 的器件级优势，需要经过优化的功率级，而非直接替换 Si MOSFET。 栅极驱动器可以置于 GaN FET 附近，开启和关闭路径应受到控制，共源和功率回路电感应充分得到降低。 死区时间同样必须进行调优，从而平衡第三象限传导损耗和交叉传导风险。
测量技术同样重要。 高电感探测可能会扭曲 VGS 和 VDS 波形，并可能导致振铃问题看起来比器件端子处更加严重。 评估板通过紧凑的四层布局、RRP68150 驱动器和专门的测量点解决了这些实际需求。
利用 GaN 提高效率和性能水平
48V 转 12V 同步降压测试结果表明，随着开关频率的增加，RTP100E005G1FL 器件相比于 Si MOSFET 的效率优势在不断扩大，尽管两个器件具有相似的标称导通电阻和封装尺寸。 此结果展现了 GaN 开关特性如何转化为系统级性能。
此评估的要点之一在于低压 GaN 为电源设计人员提供了更多优化空间。 较高的开关频率不再仅仅被视为是一种效率损失，工程师可以将它用作一种设计杠杆，从而提高效率，创造热裕度，缩小无源元件尺寸，或平衡这些优势以充分适应应用。
RTP100E005G1FL 属于更广泛的 REXGaN 100V GaN 系列。 电阻更低的选项（包括 2.6mΩ、1.8mΩ 和 1.2mΩ 器件及其评估平台）丰富了更大电流和更小传导损耗设计的选择范围。 1.8mΩ 和 1.2mΩ 采用双面散热封装，有助于设计人员排出器件两侧的热量，从而显著增强功率处理能力。 GaN 器件的外露基板将 RΘJCT 降至 0.2°C/W。
如要了解更多设计信息，请参见瑞萨低压 GaN 产品组合、RRP68150 GaN 栅极驱动器和 EVB-RTP100E005G1FL 评估板文档，包括原理图、布局指南、测试条件和测量性能数据。
