[發明專利]基于GaN HEMT器件的自激驅動與功率變換電路

有效

• 申請號: 202110209549.1
• 申請日: 2021-02-25
• 公開（公告）號: CN112803784B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 王玉雯;高潮;莊紫怡;吉怡悅;周祥兵;陳敦軍
• 申請（專利權）人: 揚州江新電子有限公司
• 主分類號: H02M3/338
• 分類號: H02M3/338;H02M1/08;H02M1/44;G01R15/14;G01R19/00
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 張佳妮

本發明公開了一種基于GaN HEMT器件的自激驅動與功率變換電路。該電路采用了新型的GaN基HEMT器件，提高電路工作頻率至MHz。器件采用了硅襯底，并采用了Q1和Q2雙晶體管片上設計，兩個晶體管共用一個晶圓，減小體積、降低成本、提升可靠性控制。器件還采用了集成式反向并聯二極管結構，提升器件的反向導通特性。電路通過功率電路主變壓器中的第三輔助繞組Na，采用正反饋模式的自激驅動腔自動為Q1提供驅動信號，無須控制芯片，Q1的驅動需要通過針對GaN HEMT器件特殊的驅動緩沖電路來保證其可靠驅動。電路進一步采用了集成式的高頻電流逐周期檢測方案，與自激驅動腔共用一個線圈，省去了電流檢測電阻，實現了無損耗電流檢測。

技術領域

本發明涉及一種基于GaN HEMT器件的自激驅動與功率變換電路。

背景技術

隨著科技的高速發展和對國家低能耗戰略的響應，開關電源市場呈現逐年持續增長的態勢，開關電源領域對于效率、尺寸等的要求也越來越高。由于反激式變換器的結構簡單、元器件數量少、可靠性高、成本低，再加上其采用電感儲能，往往初級電流大、變壓器漏感大，且其最大占空比通常被限制在0.4以內，大大限制了反激電路的最大功率，因而，在小于75W的小功率場合，反激式變換器發展成為占市場主導地位。反激式變換器中有一個特殊的電路形式，即自激式反激變換器，也稱作RCC變換器。RCC變換器通過自激振蕩工作，頻率不固定，器件的參數及電路的雜散參數對其影響很大，且開關器件工作于準飽和狀態，對電路的可靠性挑戰很大。隨著集成電路的高速發展，RCC變換器慢慢的被邊緣化，通常RCC變換器僅用于25W甚至15W以下的低成本應用場合，一直以來難以突破。

另一方面，器件的發展一直制約著開關電源電路的演變，隨著GaN HEMT器件(氮化鎵基高電子遷移率晶體管)的出現，開關電源電路出現新的發展突破口。由于GaN/AlGaN材料的高帶隙和大導帶差，使得GaN HEMT器件比常規硅基MOS器件能夠承擔更高的工作高壓，導通損耗小，工作頻率高，耐溫穩定性好等，特別適合用來提高RCC變換器的工作可靠性，擴展RCC變換器的功率水平，使RCC電路重新燃起希望。但是，GaN HEMT器件的閾值電壓比常規硅基MOS器件低，僅1.0-1.5V左右，柵電壓耐受也僅7V左右，再加上器件的高頻工作特性，器件工作的dv/dt和di/dt大大增加，因而，器件的驅動需要重新設計。

圖1為傳統技術一：芯片+硅基MOSFET+Flyback電路的電路圖。在反激式(Flyback)應用電路中，目前采用芯片來控制的方式占主導地位。該電路中，場效應晶體管(MOSFET)Q1作為主開關管，Q1的工作占空比由集成控制芯片來控制。控制芯片主要采集通過Q1的逐周期電流信號(CS)以及由副邊輸出產生的電壓反饋信號(FB)，通過輔助繞組提供VCC供電，輸出驅動信號(DRV)控制Q1的占空比。芯片的控制方式有很多種，產生連續工作方式(CCM)、斷續工作方式(DCM)、準諧振工作方式(QR)和混合式工作方式等等。但是，突出的問題是集成芯片的成本較高。