基于GaNHEMT器件的自激驱动与功率变换电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于GaN HEMT器件的自激驱动与功率变换电路。该电路采用了新型的GaN基HEMT器件，提高电路工作频率至MHz。器件采用了硅衬底，并采用了Q1和Q2双晶体管片上设计，两个晶体管共用一个晶圆，减小体积、降低成本、提升可靠性控制。器件还采用了集成式反向并联二极管结构，提升器件的反向导通特性。电路通过功率电路主变压器中的第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔自动为Q1提供驱动信号，无须控制芯片，Q1的驱动需要通过针对GaN HEMT器件特殊的驱动缓冲电路来保证其可靠驱动。电路进一步采用了集成式的高频电流逐周期检测方案，与自激驱动腔共用一个线圈，省去了电流检测电阻，实现了无损耗电流检测。实现了无损耗电流检测。实现了无损耗电流检测。

【技术实现步骤摘要】
基于GaNHEMT器件的自激驱动与功率变换电路


[0001]本专利技术涉及一种基于GaNHEMT器件的自激驱动与功率变换电路。

技术介绍

[0002]随着科技的高速发展和对国家低能耗战略的响应，开关电源市场呈现逐年持续增长的态势，开关电源领域对于效率、尺寸等的要求也越来越高。由于反激式变换器的结构简单、元器件数量少、可靠性高、成本低，再加上其采用电感储能，往往初级电流大、变压器漏感大，且其最大占空比通常被限制在0.4以内，大大限制了反激电路的最大功率，因而，在小于75W的小功率场合，反激式变换器发展成为占市场主导地位。反激式变换器中有一个特殊的电路形式，即自激式反激变换器，也称作RCC变换器。RCC变换器通过自激振荡工作，频率不固定，器件的参数及电路的杂散参数对其影响很大，且开关器件工作于准饱和状态，对电路的可靠性挑战很大。随着集成电路的高速发展，RCC变换器慢慢的被边缘化，通常RCC变换器仅用于25W甚至15W以下的低成本应用场合，一直以来难以突破。
[0003]另一方面，器件的发展一直制约着开关电源电路的演变，随着GaN HEMT器件(氮化镓基高电子迁移率晶体管)的出现，开关电源电路出现新的发展突破口。由于GaN/AlGaN材料的高带隙和大导带差，使得GaN HEMT器件比常规硅基MOS器件能够承担更高的工作高压，导通损耗小，工作频率高，耐温稳定性好等，特别适合用来提高RCC变换器的工作可靠性，扩展RCC变换器的功率水平，使RCC电路重新燃起希望。但是，GaN HEMT器件的阈值电压比常规硅基MOS器件低，仅1.0
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1.5V左右，栅电压耐受也仅7V左右，再加上器件的高频工作特性，器件工作的dv/dt和di/dt大大增加，因而，器件的驱动需要重新设计。
[0004]图1为传统技术一：芯片+硅基MOSFET+Flyback电路的电路图。在反激式(Flyback)应用电路中，目前采用芯片来控制的方式占主导地位。该电路中，场效应晶体管(MOSFET)Q1作为主开关管，Q1的工作占空比由集成控制芯片来控制。控制芯片主要采集通过Q1的逐周期电流信号(CS)以及由副边输出产生的电压反馈信号(FB)，通过辅助绕组提供VCC供电，输出驱动信号(DRV)控制Q1的占空比。芯片的控制方式有很多种，产生连续工作方式(CCM)、断续工作方式(DCM)、准谐振工作方式(QR)和混合式工作方式等等。但是，突出的问题是集成芯片的成本较高。
[0005]图2为传统技术二：Si基双极型晶体管+RCC电路图。在10W以下、小电流输出的反激式(Flyback)应用电路中，有很多采用RCC(自激式反激变换器)电路。该电路中，双极型晶体管(BJT)Q1作为主开关管，Q1的驱动和工作占空比均由外围电路来控制，不需要控制芯片，大大节约成本。Q1首先通过母线电压经由R
sta
限流驱动启动，Q1启动后，流经Q1的电流由于变压器原边电感N
p
的作用而线性上升，同时辅助绕组Na通过限流电阻R1和隔直电容C1为Q1提供持续的驱动。当流经Q1的电流增大到使R
s
上的电压触发Q2导通，Q2将Q1的基极驱动信号拉低，使Q1终止开通，转入关断状态。同时，由副边输出产生的电压反馈信号(FB)也叠加影响Q2的基极电平，从而影响Q1关断的时序。Q1关断后，辅助绕组Na的电平也发生翻转，通过C1和R1快速抽离Q1基极电荷，使Q1加速关断。直到输出电流下降到0时之后，D2由于没有
电流流过，使得Ns线圈与输出自动解耦合，原边电感Np与Q1的输出结电容发生谐振，当Np的电平发生翻转时，也即Na的电平再次发生翻转，通过R1和C1触发Q1再次自动导通。该电路工作于准谐振模式，实现了零电流软开关，工作效率较高，缺点是采用BJT的Q1功率能力较低，不适用于较大功率的场合。
[0006]图3为传统技术三：Si基MOSFET+RCC电路图。该方案与传统技术二非常相似，仅用MOS管替代了BJT晶体管，利用MOS管功率大、频率高等特点扩展了电路的功率等级，使其使用于10W以上甚至高达50W的应用场合。另外，MOS管相较于BJT管，没有二次击穿的问题，其可靠性也得到大幅度的提升。缺点是，传统的Si基MOS管由于结电容大，权衡损耗、成本、EMI等因素之后，其工作频率一般只在30kHz
‑
100kHz之间，这不利于提高产品的功率密度。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于GaN HEMT器件的自激驱动与功率变换电路。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种基于GaN HEMT器件的自激驱动与功率变换电路，包括：启动电路、功率变换电路、保护电路、稳压二极管Dz1、隔离反馈网络、自激驱动和逐周期电流检测电路、驱动缓冲器、输出整流电路；
[0010]所述启动电路由电阻Rsta组成，一段接电源输入正线，另一端接稳压二极管Dz1的阴极；
[0011]所述功率变换电路由变压器的绕组Np、主功率管Q1和反馈功能管Q2组成，Q1为增强型GaN HEMT器件，其栅极接稳压二极管Dz1的阴极，源极接稳压二极管Dz1的阳极且接地，绕组Np的同名端接输入正线，异名端接Q1的漏极，Q2为增强型GaN HEMT器件，其漏极接Q1的栅极，栅极接电阻R4，源极接地；
[0012]所述保护电路由稳压二极管Dz1组成；
[0013]所述隔离反馈网络一端接输出正极，另一端接电阻R6，电阻R6接Q2栅极；
[0014]所述输出整流电路由变压器的绕组Ns、二极管D2和极性电容C4组成，绕组Ns的异名端接二极管D2的阳极，绕组Ns的同名端接输出负极，二极管D2的阴极接输出正极，极性电容C4的正极接二极管D2的阴极，负极接输出负极；
[0015]所述自激驱动和逐周期电流检测电路包括自激驱动电路以及逐周期电流检测电路，自激驱动电路由辅助绕组Na和电阻R1、隔直电容C1组成，绕组Na的同名端与电阻R1、隔直电容C1串联，隔直电容C1另一端通过驱动缓冲器接Q1的栅极；
[0016]逐周期电流检测电路与自激驱动电路共用辅助绕组Na，还包括稳压二极管Dz2、二极管D3、D4、极性电容C2、C3、电阻R2、R3、R4和R5，绕组Na的同名端接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极接极性电容C2的负极，极性电容C2的正极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极接极性电容C2的负极，构成VCC电压第二级形成环路，极性电容C3的负极接输入回线；
[0017]电阻R2与极性电容C2并联，极性电容C2的正极与隔直电容C5、电阻R5串联，电阻R5另一端连Q2的栅极，稳压二极管Dz2与电阻R3串联，电阻R4与稳压二极管Dz2及电阻R3并联，电阻R4及稳压二极管Dz2的一端连到绕组Na的同名端与电阻R1之间，电阻R4及电阻R3的另一端连到电阻R5与Q2的栅极之间。
[0018]优选的，Q1和Q2共用一个晶圆。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GaN HEMT器件的自激驱动与功率变换电路，包括：启动电路、功率变换电路、保护电路、稳压二极管Dz1、隔离反馈网络、自激驱动和逐周期电流检测电路、驱动缓冲器、输出整流电路；所述启动电路由电阻Rsta组成，一段接电源输入正线，另一端接稳压二极管Dz1的阴极；所述功率变换电路由变压器的绕组Np、主功率管Q1和反馈功能管Q2组成，Q1为增强型GaN HEMT器件，其栅极接稳压二极管Dz1的阴极，源极接稳压二极管Dz1的阳极且接地，绕组Np的同名端接输入正线，异名端接Q1的漏极，Q2为增强型GaN HEMT器件，其漏极接Q1的栅极，栅极接电阻R4，源极接地；所述保护电路由稳压二极管Dz1组成；所述隔离反馈网络一端接输出正极，另一端接电阻R6，电阻R6接Q2栅极；所述输出整流电路由变压器的绕组Ns、二极管D2和极性电容C4组成，绕组Ns的异名端接二极管D2的阳极，绕组Ns的同名端接输出负极，二极管D2的阴极接输出正极，极性电容C4的正极接二极管D2的阴极，负极接输出负极；所述自激驱动和逐周期电流检测电路包括自激驱动电路以及逐周期电流检测电路，自激驱动电路由辅助绕组Na和电阻R1、隔直电容C1组成，绕组Na的同名端与电阻R1、隔直电容C1串联，隔直电容C1另一端通过驱动缓冲器接Q1的栅极；逐周期电流检测电路与自激驱动电路共用辅助绕组Na，还包括稳压二极管Dz2、二极管D3、D4、极性电容C2、C3、电阻R2、R3、R4和R5，绕组Na的同名端接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极接极性电容C2的负极，极性电容C2的正极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接极性电容C3的正极，极性电容C3的负极接极性电容C2的负极，构成VCC电压第二级形成环路，极性电容C3的负极接输入回线；电阻R2与极性电容C2并联，极性电容C2的正极与隔直电容C5、电阻R5串联，电阻R5另一端连Q2的栅极，稳压二极管Dz2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉雯，高潮，庄紫怡，吉怡悦，周祥兵，陈敦军，
申请(专利权)人：扬州江新电子有限公司，
类型：发明
国别省市：