[發(fā)明專利]VHF電路的控制方法、VHF電路及其電源擴展架構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510566195.0
• 申請日: 2015-09-07
• 公開（公告）號: CN105186880B
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄒學(xué)文;張之梁;董舟;任小永;余鳳兵
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州金升陽科技有限公司;南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開一種基于氮化鎵器件的超高頻直流變壓器的新型控制策略，屬于DC?DC功率變換領(lǐng)域。該控制策略是在滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上，使滯環(huán)控制輸入端的各點電壓的幅值跟隨輸入電壓等比例地變化，使得開關(guān)管DS兩端電壓的相位與其驅(qū)動電壓的相位始終能夠很好得匹配起來，從而解決了VHF電路閉環(huán)工作時，隨著輸入電壓上升而產(chǎn)生的同步整流管以及主開關(guān)管反向?qū)〞r間變長的問題，減小了開關(guān)管的反向?qū)〒p耗。在所述VHF直流變壓器控制策略的基礎(chǔ)上，提出了一種基于GaN VHF直流變壓器的新型電源架構(gòu)。所述電源架構(gòu)具有很高的功率密度和動態(tài)響應(yīng)速度。并且，在這種新型電源架構(gòu)中可以利用多個該控制方式下的VHF直流變壓器串聯(lián)或者并聯(lián)的方法實現(xiàn)整個電源架構(gòu)高電壓輸出或者大電流輸出的功能，增加了電路設(shè)計的靈活性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功率變換技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及以氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)器件為開關(guān)器件的DC-DC功率變換技術(shù)領(lǐng)域的VHF電路的控制方法、VHF電路及其電源擴展架構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率變換器正向高頻化方向發(fā)展。傳統(tǒng)功率變換器的工作頻率一般為幾十千到幾百千赫茲，動態(tài)響應(yīng)慢，同時儲能元件(如電容、電感)的體積和重量相對較大，很大程度上降低了變換器的功率密度。而工作頻率的提高能夠有效加快變換器的動態(tài)響應(yīng)速度以及變換器的功率密度。因此，變換器高頻化、高功率密度化是功率變換器的發(fā)展趨勢。

隨著基于第3代半導(dǎo)體材料的寬禁帶半導(dǎo)體器件的推出，功率變換器的工作頻率以及變換器效率都得到了顯著提升。作為寬禁帶半導(dǎo)體器件的典型代表，氮化鎵(GalliumNitride,GaN)器件具有極小的導(dǎo)通電阻和寄生電容，與同等條件下的硅器件相比其對應(yīng)的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動損耗會大大降低，所以把GaN器件作為主開關(guān)管與同步整流管運用到超高頻(Very High Frequency,縮寫為VHF，為簡潔起見，以下簡稱為“VHF”)電路中是有現(xiàn)實意義的。盡管GaN器件具有很多的優(yōu)點，但是GaN器件在VHF電路中的使用還存在著很多待解決的問題。與傳統(tǒng)的硅器件不同，GaN器件沒有反偏二極管，在未加驅(qū)動電壓，電流反向流過GaN晶體管的時候，需要依靠反向?qū)C制來使得電流導(dǎo)通，由此引起的反向?qū)▔航禃芨撸蠹s是常見硅MOS管反偏二極管導(dǎo)通電壓的兩倍，反向?qū)〒p耗很大。

而另一方面，VHF電路中主開關(guān)管在固定占空比條件下工作，并且通過滯環(huán)控制的方式穩(wěn)定輸出電壓。采用這一控制方式的超高頻電路存在的問題是，隨著輸入電壓的上升，同步整流管會出現(xiàn)提前開通的現(xiàn)象，并且兩只開關(guān)管的反向?qū)〞r間均變長、反向?qū)〒p耗均變大。對于一臺輸入電壓范圍在18-36V之間的VHF直流變換器，圖1與圖2分別給出了電路閉環(huán)后18V輸入及36V輸入時同步整流管的驅(qū)動電壓及DS兩端電壓波形。在VHF電路中，為了減小器件的開關(guān)損耗，往往希望器件能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，希望器件的電壓、電流能夠自然到零。觀察圖1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓為18V時，同步整流管電壓能夠自然到零、實現(xiàn)軟開關(guān)，并且同步整流管沒有反向?qū)ǎ瑹o反向?qū)〒p耗。觀察圖2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓為36V時，同步整流管硬開通，同步整流管電壓并沒有自然到零，具有很大的開關(guān)損耗；并且同步整流管的反向?qū)〞r間達(dá)到15ns，超過整個導(dǎo)通時間的25％，產(chǎn)生很大的反向?qū)〒p耗。為了解決同步整流管的硬開通問題，一般采取的措施是給同步整流管的驅(qū)動一個延時信號，使得同步整流管DS兩端電壓與其驅(qū)動電壓能夠匹配起來，并且輸入電壓越大時同步整流管驅(qū)動電壓的延時時間也就越長。圖3給出了，36V輸入時對同步整流管驅(qū)動電壓做精確延時后同步整流管的驅(qū)動電壓及其DS兩端的電壓波形，觀察圖3發(fā)現(xiàn)，通過對驅(qū)動電壓做精確的延時以后，可以避免同步整流管的硬開通的現(xiàn)象，但是此時同步整流管仍有12ns的反向?qū)〞r間，仍然具有很大的反向?qū)〒p耗。圖4與圖5分別表示電路閉環(huán)后18V輸入和36V輸入時主開關(guān)管DS兩端電壓波形，觀察圖5發(fā)現(xiàn)，36V輸入時主開關(guān)管的反向?qū)〞r間達(dá)到5ns，超過整個導(dǎo)通時間的10％，造成很大的反向?qū)〒p耗。

綜上，如何避免同步整流管與主開關(guān)管的反向?qū)〒p耗隨著輸入電壓的上升而增加是把GaN器件運用到VHF電路中亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容