基于GaN-HEMT器件反激电源的设计

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氮化镓器件（Gallium nitride）具有开关速度高、通态内阻低、体内无寄生二极管等优点；反激电源由于拓扑结构简单、副边无储能电感，体积小、成本低等优点在小功率电路中应用非常广泛，将二者结合起来能够更进一步提高反激电源的转换效率。

采用内部集成GaN功率开关管的反激电源控制芯片设计并制作一款功率为40W、输入85VAC-265VAC、输出3-20V可调、电流最大5A的反激电源。

在不同输入电压和负载条件下对电源样机转换效率以及负载动态特性进行测试，并且与集成芯片官网提供的数据进行比对，实验结果证明了电源样机方案的正确性。

随着功率半导体器件的发展，小体积、高频、高效的开关电源已经成为功率转换器研究的热点。

基于Si 材料功率器件的开关频率通常局限在100K 左右，主要原因是硅材料在高频条件下会产生较大的开关损耗，不仅降低了功率转换器的工作效率同时也增大了功率器件散热设计的难度。

因此需要高频性能更加优异的新型功率器件。

GaN 功率器件作为第三代半导体器件的典型代表，其具有禁带宽度大、饱和电子速度高、电子迁移率高、介电常数小以及导电性能好等优点。

这些优点使得GaN 器件栅极寄生电容小、导通内阻小，更加适合应用于高频开关电源的场合，用于进一步减小开关电源的体积。

基于以上描述，本文采用Power integrations 公司提供的内部集成负值，实现对GaN 功率开关管的驱动。

其伏安特性如图2
所示。

图1高压GaN-HEMT符号
图2 高压GaN-HEMT伏安特性2 反激电源原理框图
图3为本文参照官方技术手册设计的反激电源主拓扑结构图。

INN3377C 内部集成了高压常断型GaN-FET 、同步整流和FluxLink 反馈功能。

INN3377C 芯片的原边控器采用准谐振反馈控制，控制器
基于GaN-HEMT器件反激电源的设计
黄山市七七七电子有限公司 冯立康
图3 主电路拓扑图
GaN-FET 的INN3377C 电源芯片，设计一款输入为85VAC-265VAC 输出3-20V 可调，输出电流最大为5A 的40W 反激电源样机，并与官方网站提供的DEMO 电源样板进行比对测试，验证所设计电源样机具备的工程应用价值。

1 GaN器件工作特性的分析
基于耗尽型技术制作的GaN 功率器件由于工艺的限制常态下为导通状态。

因此利用低压Si-FET 级联高压GaN-FET 组成高压常断型GaN 功率器件。

如图1所示，控制Si-FET 的栅源电压即可控制GaN 功率开关管驱动电压的
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同时使用变频和变流方案。

原边控制器还包含接收副边控制的磁耦合电路、限流电路、5V 电压转换电路、过压监测电路、电源电压丢失检测电路、过温度保护电路。

INN3377C 芯片的副边控制器包含：磁耦合到原边的发送电路、I2C 通讯接口电路、同步整流驱动电路。

INN3377C 芯片的控制逻辑是通过单片机实现的。

INN3377C 芯片采样输出电压的抖动，并将输出电压当前的状态通过I2C 通讯的方式告知单片机。

由单片机产生控制逻辑控制原边GaN 功率开关管的开通和关断，并维持输出电压的稳定。

3 样机测试
图4 基于GaN-HEMT器件反激电源测试现场照片
图5 官网技术手册提供的效率曲线（5V/5A）
图5为PI 官网提供的5V/5A 条件下效率曲线，图6为本文设计的反激电源在5V/5A 条件下的效率曲线。

实验证明了本文所设计的反激电源其
效率同官方提供的数据非常接近，进一步验证了设计的合理性。

图6 本文设计的反激电源效率曲线（5V/5A）
图7 官方技术手册提供的动态负载特性（5V/5A）
图8为本文所设计的反激电源负载的跳变（0-5A ）实验波形。

从测
试结果来看，同官方手册提供的负载动态跳变响应波形图7非常类似，说明本文所设计的反激电源反馈回路稳定可靠，反馈环路设计合理。

本文利用INN3377C 集成芯片以及单片机设计的反激电源能够实现输出电压从3V-20V 可调，最大输出功率为40W 。

常规输出5V/5A 条件下，输出电压纹波可控制在±10%范围内。

反激电源输出效率在20V/2A 输出，220VAC 输入条件下可达到91%。

从样机测试的结果来看符合设计要求，达到了设计方案预期的目的。

作者简介：冯立康（1971—），男，安徽黄山人，现任黄山市七七七电子有限公司副总经理，主要研究方向：功率半导体芯片和
集成电路的研发与制造。

图8 本文设计的反激电源动态负载特性（5V/5A）。