基于GaN功率晶体管的超薄LED驱动器在24V低压直流配电系统中的创新应用

《IEICE Transactions on Communications》：LVDC sourced ultra-low-profile LED drivers using GaN power transistors

本刊推荐：针对传统AC供电LED灯具体积大、效率低的问题，研究人员开展基于GaN功率晶体管的超薄DC-DC转换器研究，开发出厚度仅2mm的卡式LED驱动器，在2.0MHz准软开关工况下实现20W功率输出，为低压直流配电系统提供了小型化解决方案。

　　

在追求碳中和的时代背景下，可再生能源系统正以前所未有的速度融入日常生活。然而一个长期被忽视的矛盾在于：光伏电池、燃料电池等绿色能源本质输出直流电，而传统建筑供电却普遍采用交流电体系。这种"直流发电-交流配电-直流用电"的能源转换链，导致每个LED灯具都必须配备独立的AC-DC转换模块，不仅限制了灯具造型设计自由度，更造成约15-20%的能源损耗。

面对这一挑战，松下公司联合熊本工业大学的研究团队另辟蹊径，将汽车电子中成熟的48V直流配电理念移植到建筑领域。他们创新性地提出采用24V安全电压的直流配电方案，并在此基础上开发出厚度仅2毫米的卡式LED驱动器，相关成果发表于《IEICE Transactions on Communications》。这种设计使得灯具安装只需预留电缆穿线孔，无需再为 bulky 的电源模块开凿大型安装孔，真正实现了"见光不见源"的极致美学。

核心技术方法包括：采用同步整流buck拓扑结构，使用EPC2035 GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）实现MHz级高频开关，通过多组并联的1.1mm超薄电感和电容实现功率转换，利用控制器IC内部死区时间控制实现准软开关（quasi-soft switching）技术。

2. 电路描述

研究团队采用同步整流buck转换器作为核心拓扑，通过检测低边开关Q_L的源极电流间接控制LED输出电流。当高边开关占空比为D_h时，输入输出电压满足V_out=D_h×V_in的关系。特别设计的死区时间使电路在开关切换时形成LC谐振，实现 valley switching（谷值开关）模式的准软开关操作。

3. 原型开发

驱动器采用84×53×0.8mm的FR4四层板，整体厚度控制在2.0mm以内。功率半导体选用两颗EPC2035 GaN HEMT，配合MAX20078同步整流控制器。被动元件采用4组并联的6.8μF聚合物电容和2串3并的4.7μH铁氧体电感，最终体积仅为传统驱动器的6%。

4. 实验结果

在1.0-2.0MHz开关频率范围内，驱动器在18V/10W工况下均保持稳定运行。测试数据显示，2.0MHz开关频率下效率最优，轻载时达85%，重载时超过92%。波形分析证实了死区时间的谐振操作特性，但高边开关Q_U的硬开关导致电感电流出现浪涌。

5. 讨论与未来挑战

研究揭示了轻载时电流检测信噪比下降导致控制不稳定的问题，同时指出超薄电容器件停产带来的供应链挑战。针对GaN晶体管栅极耐压不足（6V）和裸片可靠性问题，团队建议采用新型环氧树脂封装器件（如ROHM GNE1040TB）进行改进。

这项研究的重要意义在于：首先，通过GaN器件的高频特性成功将驱动器厚度缩减至信用卡级别，为灯具工业设计带来革命性突破；其次，验证了MHz级准软开关在低压大电流场景的可行性，为后续研究奠定理论基础；最后，构建了完整的24V直流配电技术范式，对推动建筑电气直流化转型具有指导意义。正如论文通讯作者西嶋康宏教授所言，这种"线缆级"的电源解决方案，或将重新定义未来智能建筑的能源分配方式。