一種基于氮化鎵晶體管的DC/DC電源模塊

王 鑫，徐 林，劉 闊

（中國電子科技集團(tuán)第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

幾十年來，硅基功率器件獲得了超過兩個(gè)數(shù)量級(jí)的性能改善，目前已進(jìn)入性能平穩(wěn)期，其性能的進(jìn)一步提升往往伴隨著成本的顯著增加。與此同時(shí)，迅速發(fā)展的用電設(shè)備也對電源模塊的體積、效率等指標(biāo)提出了更苛刻的要求。然而，傳統(tǒng)硅基功率器件的性能已經(jīng)逼近其理論極限，使得氮化鎵晶體管代替硅基功率器件成為可能。氮化鎵晶體管具有通態(tài)電阻小、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低等特點(diǎn)和優(yōu)勢，可以滿足實(shí)際應(yīng)用中對高效、高功率密度、高溫及抗輻照等要求，可以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，減小電源模塊體積，提高效率和功率密度。

開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多，常用的有單端反激、單端正激、推挽、半橋和全橋等形式。其中，半橋變換器中變壓器可以實(shí)現(xiàn)雙向勵(lì)磁，使磁芯利用更加充分。與反激、正激和推挽電路相比，半橋變換器需要的功率開關(guān)管耐壓值較低；與全橋變換器相比，半橋變換器原邊只需要兩個(gè)功率開關(guān)管，電路設(shè)計(jì)簡單、可靠。綜合諸多原因，在中小功率場合，半橋變換器得到了廣泛應(yīng)用。

本文將介紹一種帶有同步整流的硬開關(guān)半橋變換器，原邊的功率開關(guān)管和副邊的同步整流管使用氮化鎵晶體管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅基功率器件，開關(guān)頻率400 kHz，具有體積小、效率高、紋波小以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

帶有同步整流功能的硬開關(guān)半橋變換器，如圖1所示。原邊具有兩個(gè)橋臂，一個(gè)橋臂由功率開關(guān)管S1和S2構(gòu)成，另一個(gè)橋臂由電容C1、C2構(gòu)成。高頻變壓器T的原邊繞組一端接在S1、S2的公共點(diǎn)，另一端接在C1、C2的中點(diǎn)。C1、C2的中點(diǎn)電壓等于輸入電壓的一半，即Vin/2。副邊使用功率管SR1、SR2代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管作為整流器件。由于同步整流管SR1、SR2一般選擇通態(tài)電阻較低的功率管，其導(dǎo)通壓降與二極管相比要低很多，因此使用同步整流可以提高電路效率，減小元件熱應(yīng)力，有利于實(shí)現(xiàn)電源的小型化。Lo、Co組成低通濾波器，作為變換器輸出的濾波單元。本設(shè)計(jì)中，S1、S2、SR1、SR2全部選擇性能優(yōu)良的氮化鎵晶體管。

圖1 同步整流的硬開關(guān)半橋變換器主電路圖

1.2 主電路工作原理

圖2表示穩(wěn)態(tài)工作時(shí)4個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)波形和變壓器原邊電壓波形Vpri。

圖2 穩(wěn)態(tài)工作波形

開關(guān)管S1與S2驅(qū)動(dòng)波形相位差為180°。開關(guān)管S1與同步整流管SR1驅(qū)動(dòng)波形互補(bǔ)，并帶有一定時(shí)間的死區(qū)；開關(guān)管S2與同步整流管SR2驅(qū)動(dòng)波形互補(bǔ)，并帶有一定時(shí)間的死區(qū)。在S(1,2)導(dǎo)通前，SR(1,2)首先關(guān)斷，S(1,2)關(guān)斷后SR(1,2)再導(dǎo)通。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)共有4個(gè)不同的工作模式，分析如下。

模式1：傳能模式（t1～t2）。該階段從開關(guān)管S1導(dǎo)通開始，以S1關(guān)斷結(jié)束。S1導(dǎo)通前，SR1已經(jīng)關(guān)斷，SR2依然開通。通過SR1體二極管（或外加二極管）和SR2本體進(jìn)行續(xù)流，變壓器原、副邊電壓為0。S1導(dǎo)通，電容C1的電壓（輸入電壓的一半）直接加在變壓器原邊，圖1中變壓器同名端電壓為正，原邊繞組電壓等于Vin/2，SR1體二極管（或外加二極管）由于電壓反偏截止，SR2導(dǎo)通。輸入向輸出傳遞能量，變壓器被勵(lì)磁，電感Lo的電流呈線性增加。

模式2：續(xù)流模式（t2～t3）。S1關(guān)斷后經(jīng)過設(shè)置的死區(qū)時(shí)間SR1導(dǎo)通，變壓器原、副邊電壓為0。SR1、SR2全部導(dǎo)通，對電感電流進(jìn)行續(xù)流，變壓器短路，勵(lì)磁電流維持不變。直到開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)刻，該階段結(jié)束。

模式3：傳能模式（t3～t4）。該階段從開關(guān)管S2導(dǎo)通開始，以S2關(guān)斷結(jié)束。S2導(dǎo)通前，SR2已經(jīng)關(guān)斷，SR1依然開通。通過SR2體二極管（或外加二極管）和SR1本體進(jìn)行續(xù)流，變壓器原、副邊電壓為0。S2導(dǎo)通，電容C2的電壓（輸入電壓的一半）直接加在變壓器原邊，圖1中變壓器同名端電壓為負(fù)，原邊繞組電壓等于-Vin/2，SR2體二極管（或外加二極管）由于電壓反偏截止，SR1導(dǎo)通。輸入向輸出傳遞能量，變壓器去磁，電感Lo的電流呈線性增加。

模式4：續(xù)流模式（t4～t1）。S2關(guān)斷后經(jīng)過設(shè)置的死區(qū)時(shí)間SR2導(dǎo)通，變壓器原、副邊電壓為0。SR1、SR2全部導(dǎo)通，對電感電流進(jìn)行續(xù)流，變壓器短路，勵(lì)磁電流維持不變。模式4結(jié)束后進(jìn)入下一個(gè)周期，繼續(xù)從模式1開始。

2 電路參數(shù)

本次設(shè)計(jì)的電源模塊參數(shù)如表1所示。

名稱 參數(shù)值額定輸入電壓 48 V DC輸入電壓范圍 36～60 V DC輸出電壓 28 V DC輸出電流 5 A輸出電壓紋波 Vpp＜100 mV開關(guān)頻率 400 kHz電源尺寸 57.9 mm×36.8 mm×12.7 mm

3 測試結(jié)果

圖3為封裝前后所設(shè)計(jì)的電源模塊。

圖3 電源模塊封裝前后

對所設(shè)計(jì)的電源進(jìn)行測試，不同輸入電壓下輕載到滿載的效率如圖4所示。36 V輸入、滿載下效率最高，為0.94。相比較采用硅基功率器件的同等狀態(tài)下的電源，400 kHz頻率的硬開關(guān)下，使用氮化鎵晶體管的電源效率較高。

圖4 電源模塊效率曲線

圖5給出了額定電壓48 V輸入、滿載輸出狀態(tài)下，輸出電壓的紋波波形。由于半橋電路的原邊開關(guān)管的開關(guān)頻率為400 kHz，輸出端的紋波頻率為800 kHz，輸出電壓紋波峰峰值與頻率為反比關(guān)系，因此使用容值較小的貼片陶瓷電容可以滿足輸出電壓紋波的要求，且貼片陶瓷電容封裝較小，可有效減小電源尺寸，提高電源的功率密度。

圖5 48 V輸入下的電壓紋波

圖6給出了48 V輸入電壓下，負(fù)載由空載到滿載的瞬態(tài)響應(yīng)；圖7給出了48 V輸入電壓下，負(fù)載由滿載到空載的瞬態(tài)響應(yīng)?？梢钥吹?，瞬態(tài)響應(yīng)較快，原因是使用氮化鎵晶體管提高了開關(guān)頻率，相應(yīng)的可以提高閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。

圖6 48 V輸入，負(fù)載由空載到滿載下輸出電壓交流波形

圖7 48 V輸入，負(fù)載由滿載到空載下輸出電壓交流波形

4 結(jié) 論

本文以帶有同步整流的硬開關(guān)半橋變換器為基本架構(gòu)，使用氮化鎵晶體管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅基功率器件作為功率開關(guān)管和同步整流管，設(shè)計(jì)了一種高頻DC/DC電源模塊，分析主電路的基本工作原理，并搭建了試驗(yàn)電路。測試結(jié)果表明，使用氮化鎵晶體管代替硅基功率器件后可以提高開關(guān)頻率，而不會(huì)帶來效率的明顯下降。同時(shí)，由于提高了開關(guān)頻率，可以有效減小輸出濾波器的體積，提高閉環(huán)系統(tǒng)帶寬，減小電源體積，提升電源模塊的功率密度。在此試驗(yàn)電路基礎(chǔ)上如果對磁元件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)500 W的輸出功率。