EPC90149開(kāi)發(fā)板：高效功率轉(zhuǎn)換的快速入門指南

一、引言

在電子工程師的日常工作中，開(kāi)發(fā)板是驗(yàn)證和測(cè)試新器件性能的重要工具。EPC90149開(kāi)發(fā)板就是這樣一款專注于功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)板，它為評(píng)估EPC2066 eGaN? FET提供了便捷的途徑。本文將詳細(xì)介紹EPC90149開(kāi)發(fā)板的特點(diǎn)、使用方法以及性能測(cè)試結(jié)果，幫助工程師們更好地利用這款開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

文件下載：EPC90149.pdf

二、開(kāi)發(fā)板概述

2.1 基本信息

EPC90149是一款半橋開(kāi)發(fā)板，板載柵極驅(qū)動(dòng)器，采用了額定電壓為40 V的EPC2066 eGaN FET。其尺寸為2'' × 2'' ，包含兩個(gè)半橋配置的EPC2066 eGaN FET和一個(gè)用于增強(qiáng)自舉電源的EPC2038 GaN FET。該開(kāi)發(fā)板采用了uPI Semiconductor uP1966E柵極驅(qū)動(dòng)器，集成了所有關(guān)鍵組件，布局設(shè)計(jì)支持最佳開(kāi)關(guān)性能，并且設(shè)有多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，方便進(jìn)行波形測(cè)量和效率計(jì)算。

2.2 性能參數(shù)

注： (1) 最大輸入電壓取決于電感負(fù)載；對(duì)于EPC2066，最大開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴必須保持在40 V以下。 (2) 最大電流取決于管芯溫度 – 實(shí)際最大電流受開(kāi)關(guān)頻率、總線電壓和熱冷卻的影響。 (3) 使用板載邏輯緩沖器時(shí)，繞過(guò)邏輯緩沖器時(shí)請(qǐng)參考uP1966E數(shù)據(jù)手冊(cè)。 (4) 受刷新高端自舉電源電壓所需時(shí)間的限制。

三、快速啟動(dòng)步驟

3.1 輸入模式設(shè)置

開(kāi)發(fā)板有兩個(gè)PWM信號(hào)輸入端口PWM1和PWM2。在雙輸入模式下，PWM1連接到上FET，PWM2連接到下FET；在單輸入模式下，PWM1作為輸入，電路將為FET生成所需的互補(bǔ)PWM。輸入模式通過(guò)選擇J630（模式選擇）的跳線位置來(lái)設(shè)置，具體如下：

• 單輸入降壓轉(zhuǎn)換器：J630的引腳1和2跨接藍(lán)色跳線。
• 單輸入升壓轉(zhuǎn)換器：J630的引腳3和4跨接藍(lán)色跳線。
• 雙輸入操作：J630的引腳5和6跨接藍(lán)色跳線。

需要注意的是，在雙模式下沒(méi)有直通保護(hù)，因?yàn)閮蓚€(gè)柵極信號(hào)可以同時(shí)設(shè)置為高電平。

3.2 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

死區(qū)時(shí)間是指一個(gè)FET關(guān)斷到另一個(gè)FET導(dǎo)通之間的時(shí)間，對(duì)于該開(kāi)發(fā)板，死區(qū)時(shí)間是相對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入而言的?？梢酝ㄟ^(guò)電阻R620和R625來(lái)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，具體阻值可以從圖4的圖表中讀取。例如，設(shè)置10 ns的死區(qū)時(shí)間需要一個(gè)120 Ω的電阻。推薦的最小死區(qū)時(shí)間為5 ns，最大為15 ns。

3.3 旁路設(shè)置

可以使用J640（旁路）上的跳線設(shè)置來(lái)旁路極性變換器和死區(qū)時(shí)間電路，直接訪問(wèn)柵極驅(qū)動(dòng)器輸入。有三種旁路選項(xiàng)：

• 無(wú)旁路：J640的引腳5和6跨接紅色跳線，板載極性和死區(qū)時(shí)間電路全部使用。
• 死區(qū)時(shí)間旁路：J640的引腳3和4跨接紅色跳線，僅使用板載極性變換器電路，有效旁路死區(qū)時(shí)間電路。
• 完全旁路：J640的引腳1和2跨接紅色跳線，柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入直接連接到PWM1和PWM2引腳，板載極性和死區(qū)時(shí)間電路不使用。

3.4 降壓轉(zhuǎn)換器配置

要將開(kāi)發(fā)板作為降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，可以選擇單或雙PWM輸入，通過(guò)J630（模式）上的適當(dāng)跳線設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 單輸入降壓模式：旁路跳線J640必須設(shè)置為無(wú)旁路模式，選擇降壓模式J630，具體如圖6(a)所示。
• 雙輸入降壓模式：旁路跳線J640可以配置為任何有效設(shè)置，選擇雙輸入模式J630，具體如圖6(b)所示。

操作步驟如下：

1. 關(guān)閉電源，將輸入電源總線連接到VIN，接地/返回連接到GND。
2. 關(guān)閉電源，將半橋的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）連接到您的電路（半橋配置）?；蛘呤褂锰峁┑暮副P連接電感（L1）和輸出電容（Cout）。
3. 關(guān)閉電源，將柵極驅(qū)動(dòng)電源連接到VDD（J3，引腳2），接地返回連接到GND（J3，引腳1，在板的底部標(biāo)明）。
4. 關(guān)閉電源，根據(jù)所選的輸入模式設(shè)置，將輸入PWM控制信號(hào)連接到PWM1和/或PWM2，并將接地返回連接到板底部標(biāo)明的任何GND J80引腳。
5. 打開(kāi)柵極驅(qū)動(dòng)電源，確保電源在7.5 V和12 V之間。
6. 打開(kāi)控制器/PWM輸入源。
7. 確保初始輸入電源電壓為0 V，打開(kāi)電源并緩慢將電壓增加到所需值（不要超過(guò)絕對(duì)最大電壓）。探測(cè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)以查看開(kāi)關(guān)操作。
8. 運(yùn)行后，在工作范圍內(nèi)調(diào)整PWM控制、總線電壓和負(fù)載，并觀察輸出開(kāi)關(guān)行為、效率和其他參數(shù)。
9. 關(guān)機(jī)時(shí)，請(qǐng)按相反步驟操作。

3.5 升壓轉(zhuǎn)換器配置

警告：切勿在無(wú)負(fù)載的情況下運(yùn)行升壓轉(zhuǎn)換器模式，因?yàn)檩敵鲭妷嚎赡軙?huì)超過(guò)最大額定值。 要將開(kāi)發(fā)板作為升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，可以選擇單或雙PWM輸入，通過(guò)J630（模式）上的適當(dāng)跳線設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 單輸入升壓模式：旁路跳線J640必須設(shè)置為無(wú)旁路模式，選擇升壓模式J630，具體如圖7(a)所示。
• 雙輸入升壓模式：旁路跳線J640可以配置為任何有效設(shè)置，選擇雙輸入模式J630，具體如圖7(b)所示。

操作步驟如下：

1. 電感（L1）和輸入電容（標(biāo)記為Cout）可以焊接到板上，也可以在板外提供。還可以使用EPC2066 FET右側(cè)的額外焊盤安裝反并聯(lián)二極管。
2. 關(guān)閉電源，將輸入電源總線連接到V OUT ，接地/返回連接到GND，或者如果電感L1和Cout在板外提供，則跨接在電容外部。將輸出電壓（標(biāo)記為VIN）連接到您的電路，例如電阻負(fù)載。
3. 關(guān)閉電源，將柵極驅(qū)動(dòng)電源連接到VDD（J3，引腳2），接地返回連接到GND（J3，引腳1，在板的底部標(biāo)明）。
4. 關(guān)閉電源，根據(jù)所選的輸入模式設(shè)置，將輸入PWM控制信號(hào)連接到PWM1和/或PWM2，并將接地返回連接到板底部標(biāo)明的任何GND J80引腳。
5. 打開(kāi)柵極驅(qū)動(dòng)電源，確保電源在7.5 V和12 V之間。
6. 打開(kāi)控制器/PWM輸入源。
7. 確保輸出不是開(kāi)路，并且初始輸入電源電壓為0 V，打開(kāi)電源并緩慢將電壓增加到所需值（不要超過(guò)絕對(duì)最大電壓）。探測(cè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)以查看開(kāi)關(guān)操作。
8. 運(yùn)行后，在工作范圍內(nèi)調(diào)整PWM控制、總線電壓和負(fù)載，并觀察輸出開(kāi)關(guān)行為、效率和其他參數(shù)。觀察器件溫度以確定操作限制。
9. 關(guān)機(jī)時(shí)，請(qǐng)按相反步驟操作。

四、測(cè)量考慮事項(xiàng)

在測(cè)量包含高頻內(nèi)容的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓時(shí)，必須小心提供準(zhǔn)確的高速測(cè)量。開(kāi)發(fā)板提供了一個(gè)可選的雙引腳插頭（J33）和一個(gè)MMCX連接器（J32）用于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)測(cè)量。推薦使用差分探頭測(cè)量高端柵極電壓（J1），Tektronix的IsoVu探頭有匹配的MMCX連接器。對(duì)于使用MMCX連接器的常規(guī)無(wú)源電壓探頭（如TPP1000），可以使用探頭適配器（PN: 206 - 0663 - xx）。

五、熱考慮事項(xiàng)

EPC90149開(kāi)發(fā)板配備了三個(gè)機(jī)械墊片，可以輕松安裝散熱器或散熱片。在安裝散熱器之前，需要移除散熱片區(qū)域下厚度超過(guò)1 mm的任何組件。散熱器可以使用鋁或銅制成，以獲得更高的性能。在組裝散熱器時(shí)，可能需要添加一個(gè)薄絕緣層，以防止散熱片與電容器和電阻器等有暴露導(dǎo)體的組件短路。

EPC推薦了一些熱界面材料（TIM），如t - Global的TG - A1780 X 0.5 mm（最高導(dǎo)熱率為17.8 W/m·K）、TG - A620 X 0.5 mm（中等導(dǎo)熱率為6.2 W/m·K），以及Bergquist的GP5000 - 0.02（~0.5 mm，導(dǎo)熱率為5 W/m·K）和GPTGP7000ULM - 0.020（導(dǎo)熱率為7 W/m·K）。選擇TIM時(shí)需要考慮機(jī)械順應(yīng)性、電氣絕緣性和熱性能等因素。

需要注意的是，EPC90149開(kāi)發(fā)板沒(méi)有任何電流或熱保護(hù)功能。如需了解EPC eGaN FET的熱性能信息，請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。

六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 測(cè)試條件

注： (1) 4.7 μH電感來(lái)自Coilcraft，P/N SER2915L - 472。 (2) 使用的電容：470 μF，250 V，x1（P/N: UPT2E471MRD）。 (3) 使用的電容：4.7 μF，250 V，x5（P/N: GMC32X7R475K100NT）。

在高電流測(cè)試之前，為開(kāi)發(fā)板添加了一個(gè)散熱器和散熱片，使用了t - Global TG - A1780熱界面材料（TIM）。

6.2 電氣性能

通過(guò)測(cè)量不同負(fù)載電流下的電感電流和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，驗(yàn)證了開(kāi)發(fā)板的電氣性能。圖12 - 14分別展示了在32 V輸入、500 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，輸出0 A、20 A和40 A到8 V負(fù)載時(shí)的測(cè)量波形。

6.3 效率和功率損耗

圖15展示了在32 V到8 V轉(zhuǎn)換、使用4.7 μH電感、不同開(kāi)關(guān)頻率下的效率和功率損耗結(jié)果。

6.4 熱性能

圖16展示了在32 V輸入、輸出8 V到負(fù)載、1000 - 1500 LFM（高）氣流條件下，安裝散熱器和散熱片的開(kāi)發(fā)板的熱性能。

6.5 熱降額

通過(guò)在500 LFM和1000 LFM氣流下進(jìn)行額外測(cè)試，確定了開(kāi)發(fā)板在安裝和不安裝散熱器時(shí)的環(huán)境溫度降額。圖17展示了不同開(kāi)關(guān)頻率下，最大外殼溫度為110°C時(shí)的降額曲線。

七、總結(jié)

EPC90149開(kāi)發(fā)板為工程師們提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)，用于評(píng)估EPC2066 eGaN FET的性能。通過(guò)合理設(shè)置輸入模式、死區(qū)時(shí)間和旁路選項(xiàng)，可以將開(kāi)發(fā)板配置為降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。在使用過(guò)程中，需要注意測(cè)量和熱管理方面的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該開(kāi)發(fā)板在電氣性能、效率和熱性能方面都表現(xiàn)出色。希望本文能夠幫助工程師們更好地使用EPC90149開(kāi)發(fā)板，為功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

你在使用EPC90149開(kāi)發(fā)板的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。

如需獲取支持文件，包括原理圖、物料清單（BOM）和Gerber文件，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)EPC90149的著陸頁(yè)：https://epc - co.com/epc/Products/Demo - Boards/EPC90149 。如有更多信息需求，請(qǐng)聯(lián)系info@epc - co.com或您當(dāng)?shù)氐匿N售代表。