基于GaN器件的驱动设计方案
GaN方案
GaN方案概述GaN(氮化镓)是一种新型的半导体材料,在功率电子领域有广泛的应用。
其具有高电子迁移率、高电场饱和漂移速度等优异特性,使其在高速开关、高功率密度和高频率应用中具有巨大的潜力。
本文将介绍GaN方案的优势、应用领域以及相关的发展趋势。
优势GaN材料相比传统的硅(Si)和氮化硅(SiC)材料,在功率电子应用中具有诸多优势。
1.高电子迁移率(High Electron Mobility):GaN材料的电子迁移率约为2000 cm²/Vs,远高于硅和SiC材料,有助于提高开关速度和功率密度。
2.高饱和漂移速度(High Electron Saturation Velocity):GaN材料的电子饱和漂移速度约为2.5×10^7 cm/s,远高于硅和SiC材料,有助于高频率应用。
3.宽禁带宽度(Wide Bandgap):GaN材料的禁带宽度约为3.4电子伏特(eV),远大于硅和SiC材料的1.1 eV和3.0 eV,有助于减小开关功耗和增加工作温度。
4.高热导率(High Thermal Conductivity):GaN材料的热导率约为130 W/mK,远高于硅和SiC材料,有助于提高功率密度和散热性能。
5.耐辐射性强(Radiation Hardness):GaN材料对辐射的抗性强,适用于高辐射环境下的应用。
应用领域GaN方案在不同领域有着广泛的应用。
电源适配器和转换器GaN材料在电源适配器和转换器中的应用越来越广泛。
由于GaN材料具有高电子迁移率和高饱和漂移速度的特性,GaN功率器件能够实现高效率和高功率密度,可以减小适配器和转换器的体积和重量,提高能源利用率。
电动汽车充电器GaN方案在电动汽车充电器中有着巨大的潜力。
由于GaN材料具有高电子迁移率和高热导率的特性,GaN功率器件能够实现高功率密度和快速充电,可以极大地缩短汽车充电时间,并且减小充电器体积和重量。
高速通信设备GaN方案在5G通信设备和光通信设备中的应用逐渐增多。
基于GaN-HEMT器件反激电源的设计
• 124•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。
基于GaN器件的高功率密度DC-DC模块电源设计
基于GaN器件的高功率密度DC-DC模块电源设计随着电子设备的快速发展,对于高功率密度DC/DC模块电源的需求越来越迫切。
为了满足这一需求,基于GaN(氮化镓)器件的高功率密度DC/DC模块电源设计成为了一种新的选择。
GaN器件是一种新型的半导体材料,相比传统的硅材料具有更好的导电性和热传导性能。
这使得GaN器件能够实现更高的开关频率和更低的开关损耗,从而提高了整个电源系统的效率。
同时,GaN器件的小尺寸和轻量化特点也使得电源模块更加紧凑,适用于各种紧凑空间的应用场景。
在设计基于GaN器件的高功率密度DC/DC模块电源时,需要考虑以下几个关键因素:首先,需要选择合适的GaN器件。
不同型号的GaN器件具有不同的特性,如功率容量、开关频率和导通电阻等。
根据具体应用需求选择适合的GaN器件非常重要。
其次,需要设计合理的电路拓扑。
常见的拓扑结构有升压、降压和升降压等。
根据输入输出电压的关系,选择合适的拓扑结构,并合理设计电路参数,以提高整个系统的转换效率。
此外,还需要考虑散热问题。
GaN器件的热传导性能较好,但在高功率密度的应用中,仍然需要合理设计散热系统,以确保器件的稳定工作温度。
可以采用散热片或者风扇等散热措施,有效降低温度。
最后,还需要进行系统级的优化。
通过合理的电源管理策略和控制算法,提高整个系统的稳定性和可靠性。
同时,还可以考虑应用软开关技术等进一步提高系统的效率和性能。
综上所述,基于GaN器件的高功率密度DC/DC模块电源设计具有很大的潜力。
通过选择合适的GaN器件、设计合理的电路拓扑和散热系统,以及进行系统级的优化,可以实现高效、紧凑和可靠的电源模块。
这将为电子设备的发展提供更多可能性,并推动技术的进步。
gan驱动电路设计
gan驱动电路设计GAN驱动电路设计一、引言GAN(Gallium Nitride)是一种新型的半导体材料,具有优异的电特性和高频特性,近年来得到了广泛的研究和应用。
GAN驱动电路设计是指利用GAN材料制作的功率放大器来驱动电路,以实现高效率、高功率的电路工作。
本文将介绍GAN驱动电路设计的基本原理和设计方法。
二、GAN材料的特性GAN材料是一种宽禁带半导体材料,具有较高的电子迁移率和较高的击穿电场强度。
这些特性使得GAN材料在高频电路和高功率电路中具有很大的优势。
相比传统的硅材料,GAN材料具有更高的开关速度和更低的能量损耗,因此可以实现更高效率的电路设计。
三、GAN驱动电路的基本原理GAN驱动电路的基本原理是利用GAN材料的高电子迁移率和高击穿电场强度来实现高效率、高功率的电路工作。
驱动电路通常包括输入端、输出端和功率放大器。
输入端接收来自信号源的输入信号,输出端将信号传递给负载。
功率放大器起到放大信号的作用,使得输出信号能够驱动负载工作。
四、GAN驱动电路的设计步骤1. 确定需求:首先需要确定所设计的驱动电路的需求,包括输入信号的频率范围、输出功率的要求等。
这些需求将直接影响到驱动电路的整体设计。
2. 选择器件:根据需求选择合适的GAN器件,包括功率放大器和开关驱动器。
选择器件时需要考虑其电特性、工作频率范围和功率要求等。
3. 电路设计:根据所选择的器件进行电路设计。
电路设计包括信号源的设计、功率放大器的设计和开关驱动器的设计等。
在设计过程中需要考虑信号的匹配、功率的传递和效率的提高等因素。
4. 电路仿真:利用电路仿真软件对设计的电路进行仿真。
通过仿真可以评估电路的性能,如增益、带宽、效率等。
根据仿真结果可以对电路进行优化和改进。
5. 原型制作:根据设计和仿真结果制作电路的原型。
通过实际测试和测量可以验证电路的性能和可靠性。
6. 优化改进:根据测试结果对电路进行优化和改进。
通过不断地改进和优化,使得电路能够更好地满足需求。
基于GaN器件射频功率放大电路的设计解读
基于GaN器件射频功率放大电路的设计本文主要是基于氮化镓(GaN)器件射频功率放大电路的设计,在S波段频率范围内,应用CREE公司的氮化镓(GaN)高电子迁移速率晶体管(CGH40010和CGH40045)进行的宽带功率放大电路设计。
主要工作有以下几个方面:首先,设计功放匹配电路。
在2.7GHz~3.5GHz频带范围内,对中间级和末级功放晶体管进行稳定性分析并设置其静态工作点,继而进行宽带阻抗匹配电路的设计。
本文采用双分支平衡渐变线拓扑电路结构,使用ADS软件对其进行仿真优化,设计出满足指标要求的匹配电路。
具体指标如下:通带宽度为800MHz,在通带范围内的增益dB(S(2,1))>10dB、驻波比VSWR1<2、VSWR2同主题文章[1].宋登元,王秀山. GaN材料系列的研究进展' [J]. 微电子学.1998.(02)[2].秦志新,陈志忠,周建辉,张国义. 采用N_2-RF等离子体氮化GaAs(001)(英文)' [J]. 发光学报. 2002.(02)[3].谢崇木. 短波长半导体激光器开发动向' [J]. 半导体情报. 1998.(04)[4].Robert ,Green. 现代通信测试设备必须适合多种手机标准——谈如何选择射频功率分析测试仪器' [J]. 今日电子. 2003.(04)[5].宋航,Park,S,H,Kang,T,W,Kim,T,W. 分子束外延高Mg掺杂GaN的发光特性' [J]. 发光学报. 1999.(02)[6].付羿,孙元平,沈晓明,李顺峰,冯志宏,段俐宏,王海,杨辉. 立方相GaN的高温MOCVD生长(英文)' [J]. 半导体学报. 2002.(02)[7].段猛,郝跃. GaN基蓝色LED的研究进展' [J]. 西安电子科技大学学报. 2003.(01)[8].郎佳红,顾彪,徐茵,秦福文. GaN基半导体材料研究进展' [J]. 激光与光电子学进展. 2003.(03)[9].曾庆明,刘伟吉,李献杰,赵永林,敖金平,徐晓春,吕长志.AlGaN/GaN HEMT器件研究' [J]. 功能材料与器件学报. 2000.(03)[10].沈耀文,康俊勇. GaN中与C和O有关的杂质能级第一性原理计算' [J]. 物理学报. 2002.(03)【关键词相关文档搜索】:通信与信息系统; 功率放大电路; 高电子迁移速率晶体管; 宽带匹配【作者相关信息搜索】:南京理工大学;通信与信息系统;赵建中;夏磊;。
基于GaN的高效率功率放大器设计
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载波放大器与峰值放大器分别等效为Vcarrier和VPeak两个
电流源。
移动通信基站中。但由于 Doh
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大器,因此不易被集成。本文尝试使用的新一代宽禁
带半导体材料 GaN,可以使得 Doh
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基于GaN芯片的星载K波段固态功放研制
• 125•根据星载固放工作环境特点以及对固放高可靠性要求,本文介绍了一种K 波段星载固放,其内部提出了一款良好散热、保证气密的GaN 功率芯片封装模块用于功率合成。
该GaN 功率模块使用金刚石铜作为衬底底部和可伐材料拼接,能够满足气密性和散热需求,同时内部集成了宽带脊波导到同轴转接,易进行空间功率合成。
实测气密性优于1×10-1Pa·cm3/s ,满足可靠性和工程应用需求。
经过测试,整个固态单机的输出功率大于15W ,额定输出下效率21.5%。
1 引言京理工大学,2004;石雯,Ku 波段氮化镓功率放大器研究:杭州电子科技大学,2012;Dong Min Kang,Jong Won Lim,et a1.X-band 100 W solid-state power amplifier using a O.25 μM GaN HEMT technology:MICROWA VE AND 0PTICAL TECHNOLOGY LETTERS 2015)。
因此,本文采用GaN MMIC 设计一款K 波段星载固态功率发射机,内部功率模块采用的是探针双脊波导过度和空间功率合成的方式。
该模块能够保证较宽的工作带宽、良好的导热率以及气密性。
整个固放输出功率大于15W ,功率增益大于45dB ,固放单机效率达到21.5%。
芯片封装的气密性优于1×10-1Pa·cm 3/s ,散热良好,满足特殊应用环境需求。
基于GaN芯片的星载K波段固态功放研制中国电子科技集团公司第十三研究所 朱文思图1 宽带波导同轴探针过渡HFSS仿真模型示意图图2 宽带同轴波导转接仿真结果曲线目前,微波固态功放(SSPA )相对于真空管放大器具有可靠性高、寿命长、工作电压低、尺寸小、重量轻等特点,因此在雷达、通信、卫星等领域中有着非常广泛的应用,其性能指标直接制约着整个系统的性能和技术水平。
基于GaAs 材料的功率器件已经无法满足对更高频率、更高功率的追求,这就需要新的材料来突破这个瓶颈(曹韬,曾荣,基于GaN HEMT 器件的宽带高效功率放大器:微波学报,2012;钮浪,石洁昀,潘威,X/Ku 波段宽带GaN 微波固态功放技术研究:科学与信息化,2018)。
基于GaN工艺S波段高功率放大模块的设计
0引言当前,在射频和微波频段下常用的功率放大器多为基于GaAs 材料的HFET 和PHEMT 器件,但是由于GaAs 材料在电性能和热性能上的局限,已经越来越不能满足未来雷达和通信系统的需求[1]。
作为下一代微波功率器件的材料,GaN 材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率,能够得到很高的功率输出密度,同时GaN 异质结器件能够承受很高的结温,可以很好地满足大功率、高效率、高温等性能要求,在卫星通信、雷达等军事领域有着广泛的应用前景,是当前半导体技术重要的发展前沿之一[2]。
本文针对某通信系统发射机对功率放大器高效率、低功耗、小体积的要求,研制了一款基于GaN 工艺的S 波段高功率放大模块,最终测试结果显示在工作带宽内,饱和输出功率≥10W,效率≥50%,性能明显优于传统的GaAs 功率放大器,符合设计预期。
1GaN 功率放大模块设计1.1模块组成及功能作者简介院王强(1987-),男,工程师,硕士,从事射频电路设计工作;马东磊(1989-),男,工程师,硕士,从事射频电路设计工作;闫冲(1990-),男,工程师,硕士,从事射频电路设计工作。
基于GaN 工艺S 波段高功率放大模块的设计Design of S Band High Output Power Amplifier Based on GaN Technology王强,马东磊,闫冲(山东航天电子技术研究所,山东烟台264000)Wang Qiang,Ma Dong-lei,Yan Chong (Shandong Institute of Space Electronic Technology,Shandong Yantai 264000)摘要:随着无线通信、雷达等领域的高速发展,微波产品尤其是功率放大模块呈现出高功率、低功耗、轻量化、小型化、易使用的发展趋势,这就要求功率放大器具备更高的效率以及更高的工作结温,基于新一代宽禁带半导体材料,GaN 功率放大器能够满足该需求。
基于gan功率器件伺服驱动系统的设计与研究
供电方式,这会造成电机损耗大,轴电流大,缩短
关将造成极大的 du/dt 和 di/dt[6-8];其次,目前的控
电机寿命。若采用正弦波电压驱动,可有效解决
制器和控制策略还没有经过高频化的控制验
上述问题。若要获得正弦波电压,需在 PWM 逆
证[9-10];最后,电机驱动系统中的电机本体及传动
变器后增加滤波器,但受限于现有功率半导体器
WANG Pinhe,YANG Ming,
SHANG Shuyu,
LÜ Zekai,XU Dianguo
(Department of Electrical Engineering,
Harbin Institute of Technology,
Harbin 150001,
Heilongjiang,
China)
ELECTRIC DRIVE 2019 Vol.49 No.10
电气传动 2019 年 第 49 卷 第 10 期
基于 GaN 功率器件伺服驱动系统的设计与研究
王品贺,杨明,商书宇,吕泽楷,徐殿国
(哈尔滨工业大学 电气工程系,黑龙江 哈尔滨 150001)
摘要:GaN 等高频功率器件应用于电机驱动领域,高频化后的驱动系统能够显著减小系统的体积、重量和
永磁同步电机的硬件驱动系统由控制部分
和功率部分组成。控制部分以 FPGA 为控制核
Abstract: Power devices such as GaN are used in motor drives. High-frequency drive systems can significantly
reduce the size,weight,and cost of the system,but they also cause excessive du/dt and di/dt. Firstly,the hardware
基于GaN器件的图腾柱无桥Boost PFC电路的研究
温度 设为 4 0  ̄ C, 压 力 为 一 个 标 准 大 气 压 , 经 l c e p a k计 算求 解 ,得 出 具体 结 果 如 图 l ~ 5 所示 , 满 足 本 次 使 用要 求 。
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妓能汁算,本 调制冷能 为5 7 0 0 w,能够 根据分析结果可知舱内设备最高温度为2 9 . 5 ℃ 作者简介
提 高功率 因数 校 I 变换 器的效 率与功 率 密 懂 足有 效途 径 之 ‘ ,基 于硅 ( S i ) 器 件 的 B o o s t P F C 变 换 器 已经 被 广泛 研 究 由于 s i 器 件性 能 已经 被 发 掘 接 近 极 限 ,基 F其 的 变 换 器 特・ 陀 也 很难 再 提 高 。近 年 来 ,新 宽 禁 带 半 导 体 氨化镓 ( Ga N) 的 出现 , 由] : 其优越 的材料属性, 使 Ga N J 1 : 关 器 什 具 宵 开 关 速 度 快 、 导 通 电 阻 低 等 优 点 。Ga N 器 仆 的 逐 渐 将 及 为 变 换 器 性
【 关键 词 】 氯化 镓 P F C S i I | I U 1 i 1 1 k
图1 :图腾 柱无桥 P F C电路
染 .功 率 } = I = : I 数 校 ( P o we r F a c t o r Co r r e c t i o n , P F C)已经 成 为 电 力 电子 行 业 中 的 热 点 。 能提 高 到 一 个新 的 等 级 提 供 了 可 能
1 2 0 ・电子技 术与软 件 工程
E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y &S o f t w a r e E n g i n e e r i n g
E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y・ 电子技术
一种GaN FET的窄脉冲激光器驱动电源系统设计
一种GaN FET的窄脉冲激光器驱动电源系统设计
许源;王武;倪小龙;闫钰锋;于信;白素平
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2022(30)9
【摘要】针对半导体激光器驱动电路在低纳秒级对激光光脉冲调节困难的问题,研究了一种基于GaN高速半导体器件的半导体激光器的驱动方案,可实现激光光脉冲的宽度、高重复频率的高精度调节;在设计上,利用FPGA门电路现场可编辑、低功耗等特点,基于Xilinx Zynq平台搭建前置时序产生电路,输出时序信号;设计储能电路,通过驱动氮化镓场效应晶体管(GaN FET)作为开关控制储能回路,最终实现激光光脉冲低纳秒级的精密调节;经过实验验证和分析,该驱动电路能稳定输出脉冲宽度3~200 ns可调、重复频率0~1 MHz可调、峰值功率超过70 W、上升沿时间小于5 ns的激光光脉冲信号。
【总页数】8页(P272-279)
【作者】许源;王武;倪小龙;闫钰锋;于信;白素平
【作者单位】长春理工大学光电工程学院;北方导航控制技术股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP331.2;TN47
【相关文献】
1.窄脉冲半导体激光器驱动电路的设计与仿真试验
2.用于半导体激光器的大电流纳秒级窄脉冲驱动电路
3.脉冲激光器大电流窄脉冲驱动设计
4.低功耗窄脉冲编码激光器驱动设计探讨
5.大电流窄脉冲激光器电源的设计
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GN010 应用手册 GaN Systems EZDrive 驱动方案说明书
GN010 应用手册GaN Systems EZDrive®驱动方案2022年03月GaN Systems Inc.内容•背景介绍•两种GaN驱动方案的比较:“分立“还是”集成”•GaN Systems的方案: EZDrive电路•EZDrive实验验证•总结Vgs Level Shift + -Controller +DriverGND GaN12Vcc12V signal+6V-6VVgs•带驱动的控制芯片输出12V驱动电压•GaN器件需要+6V门极电压开通•需要额外的Vgs电平转换使用标准电路控制/驱动芯片驱动GaN器件Vgs Level Shift+-Controller+DriverGNDGaN12Vcc12V signal+6V -6VVgs单片集成驱动的GaN 方案GaN Systems GaN + EZDrive 驱动电路•内部稳压器将12V/0V 转换为+6V/0VPGNDQR Flyback ControllerFBV DS V V PWMREGCTD SGNDPGNDR带集成驱动的MOSFET 控制芯片带集成驱动的MOSFET 控制芯片两种GaN 驱动的解决方案: 集成或分立•电平转换电路[1]将12V/0V 转换为+6V/-6V•带驱动的控制芯片输出12V 驱动电压•GaN 器件需要+6V 门极电压开通•需要额外的Vgs 电平转换参考文献内容•背景简介•两种GaN驱动方案的比较:“分立“还是”集成”•GaN Systems的方案: EZDrive电路•EZDrive实验验证•总结GaN “分立驱动”对比“集成驱动”外围电路元件高压半桥自举控制芯片/驱动芯片GaN Systems 器件集成驱动GaN集成驱动的控制芯片多余的驱动电路和线性稳压电路集成驱动的控制芯片上管单片集成GaN下管单片集成GaN最少的电路模块+标准元器件(低成本:相同数量的无源元件,无需额外驱动)集成芯片= 2个额外的驱动+ 2个额外的线性稳压电路(更高的成本和复杂度)GaN 器件开通关断速度可控,负压关断(可优化EMI 和效率)仅能控制GaN 器件开通速度(不利于性能优化)GaN Systems EZDrive 方案单片集成方案上管GaN下管GaNT offT onV PWMV DSV BUSIncrese R OFF to decrease dv/dt R C ZD ZD R OFFR GD OFF GSSSDttIncrese R G to decrease dv/dtONOFFON12VDrain turn-on Drain turn-off GaN 分立设计对比集成设计——T ON /T OFF 控制1DSPWM V CCV DDD ZR DD T offT onV PWMV DSV BUSDrain turn-on falling edgettONOFFON单片集成GaN12V•漏极关断电压上升和开通电压下降速度可调•有利于EMI 和效率优化•漏极关断电压上升速度不可调整•设计灵活性受限分立的GaN 和EZDrive 电路内容•背景简介•两种GaN驱动方案的比较:“分立“还是”集成”•GaN Systems的方案: EZDrive电路•EZDrive实验验证•总结V GSV PWM-5.2V5.5V0V12V-6.4V-1VEZDrive CircuitGaN Systems 的EZDrive 电路可经济简便地实现GaN 器件驱动.•使12V 驱动芯片能够驱动+6V 开通的GaN 器件•由4个元器件构成电平转换电路•开通关断速率可由外部门电阻Rg 控制,以减少EMI•可应用于任何功率等级,任何频率,以及任何标准控制/驱动芯片•可应用于任何具有单,双或上管/下管驱动的控制芯片+V PWM -+V GS-EZDrive的工作模式V GS_下管=+6V; V GS_上管=-6V VGS_下管=-6V; V GS_上管=-6V模式1: C BOOT充电(上管GaN关断; 下管GaN开通)模式2: C BOOT充电(上管GaN关断; 下管GaN关断)模式3: C BOOT放电(上管GaN开通; 下管GaN关断)功率流向门极驱动电流C BOOT电流•EZDrive的操作模式在半桥应用中类似于传统非隔离自举上管/下管驱动•允许较大的控制芯片工作电压范围:9~18VEZDrive电路应用实例EZDrive的典型应用:•反激电路•半桥电路•升压PFC电路方案= 分立GaN器件+ EZDrive电路+ 控制芯片EZDrive 电路GaN Systems 器件EZDrive circuit GaN SystemsTransistorsEZDrive电路GaN Systems 器件EZDrive反激电路应用ControllerController•反激控制芯片的应用实例包括NCP1342和NCP1250•以下电路是EZDrive在反激电路里的典型应用,表格里提供了元器件的推荐值▪标有“可选电路”的部分与基于硅MOSFET的驱动电路设计类似,用于进一步优化效率和EMI。
GaN MOSFET 高效谐振驱动电路设计及损耗分析
宽禁带半导体GaN 是第三代功率器件的理想材料,是功率变换器的主要部分,使功率变换器朝着高频、高功率密度以及更小的1体积方向发展.在拥有更快开关速度的同时,由于功率损耗与频率是成比例增加的,因此在高频下,功率损耗是最主要的问题,在开关频率较高时,开关损耗是功率损耗的主要因素.国内外学者为实现门极驱动电路低功耗做了大量的研究工作.文献[1]中提到,当GaN MOSFET 应用于高频时,传统的门极驱动电路不能满足低功耗的要求,功率损耗与频率会成比例地增加.文献[2-4]详细分析了各部分的损耗情况.GaN MOSFET 的门极阈值电压很低,在1.4~1.7V 范围内,很容易由电路中的寄生电感产生的振荡尖峰使其误导通.文献[5]给出了GaN 高频谐振门极驱动电路,使用软开关技术来减小开关损耗.文献[6-9]介绍了高频驱动电路的特点以及应用.文献[9-12]给出了不同的谐振门极驱动电路的拓扑结构.为了适应未来的发展需求,变换器必须要提高效率和功率密度,满足低损耗的特点,但是目前GaN 驱动电路的功率损耗仍然比较高[13],因此提出一种低功耗的新型门极驱动电路具有重要意义.针对目前驱动电路的高功率损耗问题,本文对门极驱动电路进行研究,并详细分析其原理.对比传统门极驱动电路和谐振门极驱动电路,并提出一种新型谐振门极驱动电路,分别计算3种电路的功率损耗.GaN MOSFET 高效谐振驱动电路设计及损耗分析高圣伟,苏佳,刘晓明,李龙女(天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室天津300387)Design and loss of high efficient resonant driving circuit of GaN MOSFETGAO Sheng-wei,SU Jia,LIU Xiao-ming,LI Long-nü(Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China )Abstract :In order to solve the high loss problem of GaN MOSFET gate drive,a new resonant gate driver circuit is proposedby comparing the traditional and existing resonant gate driving circuit,the correctness of the proposed gate driving circuit is verified by mathematical model building,LTspice simulation and experiments.The basic principle is based on the resonance principle,during the switch off process,the energy stored in the C feedback to the power supply by L,to use the energy effectively,thus can reduce the power loss.The results show that,the opening and closing time of GaN MOSFET are 12ns and 16ns respectively,which can realize fast breaking of switchtube.The gate loss of the new resonant driving circuit is reduced by 55.56%compared with that of the traditionalGaN MOSFET driving circuit,and the gate loss of the conventional resonant driving circuit is reduced by 35.66%.Key words :GaN MOSFET;high frequency;gate driver;resonance;driving circuit;gate loss摘要:为了解决GaN MOSFET 门极驱动的高损耗问题,对比分析了传统驱动和谐振门极驱动电路,提出一种新型谐振门极驱动电路,通过建立数学模型、LTspice 仿真分析以及实验验证所提出门极驱动电路的正确性.其基本原理为利用谐振原理在开关管关断过程中通过L 将存储在C 中的能量反馈到电源中,使能量得到有效利用,从而减小功率损耗.结果表明:GaN MOSFET 开通和关断的时间分别为12ns 和16ns,能够实现开关管的快速开断;新型谐振驱动电路的门极损耗比传统GaN MOSFET 驱动电路的损耗减小了55.56%,比普通谐振驱动电路的门极损耗减小了35.66%.关键词:GaN MOSFET;高频;门极驱动;谐振;驱动电路;门极损耗中图分类号:TN386文献标志码:A文章编号:1671-024X (2018)05-0064-06收稿日期:2017-09-19基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(51137001)通信作者:高圣伟(1978-),男,博士,副教授,主要研究方向为电力电子应用.E-mail:********************.cn天津工业大学学报JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY第37卷第5期2018年10月Vol.37No.5October 2018DOI:10.3969/j.issn.1671-024x.2018.05.010. All Rights Reserved.第5期图2门极驱动电路的结构与开关波形Fig.2Structure and switching waveform of gate drive circuit1传统驱动电路与谐振驱动电路传统的门极驱动电路由于电路结构简单,因而广泛应用于驱动MOSFET.市场上大多数的驱动芯片的输出级驱动也是传统的硬开关模式,如IR2110、NI 的LM51系列.但是传统的门极驱动电路有一个致命的缺陷,即在高频下会增加功率损耗,开关速度变慢[14].图1给出了针对常开器件的传统门极驱动电路.图1中,红色框中的器件为GaN MOSFET,S1和S2为辅助开关管,Ciss 是输入电容.C 的值要远大于输入电容Ciss,所以在GaN MOSFET 关断过程中,C 相当于一个恒压源.首先辅助开关管两端电压V 提供的能量为:P gate =V f sT 0∫i g (t)d t (1)因驱动电流i g 与门极总电荷量Q 有如下关系:T∫i g (t)d t =Q (2)合并公式(1)、(2),则功率损耗可以由下式计算:P gate =C iss V 2f s(3)式中:V 代表门极峰值电压;f s 代表开关频率.从式(3)中可以看出,功率损耗与开关频率成正比[15-17].因此,在高频情况下,传统的门极驱动电路无法满足低功耗的要求.文献[9]提出一种谐振门极驱动电路.利用LC 谐振的原理,在GaN MOSFET 关断的过程中,通过电感L 将输入电容C iss 中的能量反馈到电压源当中,以此来实现能量的有效利用,减小损耗[17].其电路结构和主要波形如图2所示.辅助开关管的输出经电感L 连接到GaN MOS-FET 的门极,辅助开关管采用“推挽式”结构输出.当S1开通时,S2截止,VDD 通过S1和L 给电容Ciss 充电,GaN MOSFET 导通,门极电压Vgs 的值为VDD+VD1;当S1截止时,S2导通,电容Ciss 放电,GaN MOSFET 关断.如果增加辅助开关管S1的导通时间,电感L 上的电流会通过二极管D1续流,iL 缓慢减小,在此过程中产生环流损耗.2新型谐振门极驱动电路由于图2所示的门极谐振驱动电路的驱动电流是从零开始增加的,导致驱动速度较慢.如果不能准确控制辅助开关管的控制信号,电路中也会增加环流损耗[18].因此,提出一种新型谐振门极驱动电路,如图3所示.充电和放电采用不同的回路,具备提供不对称输出的能力.同时,在GaN MOSFET 的漏极处加入无损缓冲电路,通过电容C1来减缓电压的上升速度,并且电容中的能量不会被消耗掉,避免了能量的损失.根据GaN 数据手册显示,GaN MOSFET 的驱动电图1传统门极驱动电路Fig.1Traditional gate drive circuit(a )谐振门极驱动电路(b )开关波形PWM S1D1D3D2S2RC47nFD 15CissSD T1G DGaN Vgs S1D1S2CissSD T1G VgsD3D2D4VDD LS1S2V gs i LONV DD +V D1t 0t 1t 2t 2a t 3t 4t 5t 6t 5aON-V D2ON高圣伟,等:GaN MOSFET 高效谐振驱动电路设计及损耗分析图3新型谐振门极驱动电路Fig.3Structure and switching waveform of gate drive circuitVDD PWM2PWM1Q1Q2D1D2L1L2R1R2CiS G GS66502BT1D C1D3D4L4VCCL365--. All Rights Reserved.第37卷天津工业大学学报压为6V.在辅助开关管Q1/Q2开断的过程中,谐振电感L1/L2与外部输入电容Ci 以及电阻R1/R2组成LCR 谐振回路.其开通和关断过程的电压电流曲线如图4所示.2.1GaN MOSFET 的开通过程当Q1导通,Q2关断时,充电回路为Q1-D1-L1-R1-Ci,门极电压逐渐上升,GaN MOSFET 导通,其开通过程如图4(a )所示[18].LCR 构成谐振回路,当电流上升到峰值时,二极管D1电压反偏,阻止电流继续增大,并将门极电压钳位在最大值,忽略二极管上的电压降,由基尔霍夫电压定律可得:V DD =V L1+V R1+V Ci(4)根据电容和电感的特性,上式可改写为:V DD =L 1CV c ″(t )+R 1CV c ′(t )+V c (t)(5)式中:电容C 指的是外部电容Ci,因为Ci 比门极电容Ciss 大得多,所以可以忽略门极电容.又因为:V c (t)=e -R 1t2L 1±jω1t [K 1sin (ω1t )+K 2cos (ω1t )]+V DD (6)式中:K 1、K 2均为常数,由初值和边界条件确定;ω1为谐振频率,可由下式表示:ω1=12L 14L 1C-R 21√(7)从图4可以看出,电容电压V C 的初值为最小值V n .边界条件为当t =0和t 1时,电流值为零.根据初值和边界条件可以得到K 1=0,K 2=V n -V DD ,综合以上各式,可得到门极电压如公式(8)所示,当cos (ω1t )=-1时得到最大值V P .V c (t)=e -R 1t2L 1(V n -V DD )cos (ω1t +V DD )(8)2.2GaN MOSFET 的关断过程关断过程经放电回路C i -R2-L2-D2-Q2完成,回路总电压应该为0,与开通过程相反.所以放电回路电压满足以下方程:V L2+V R2+V Ci =0(9)类似于开通过程,二极管D2的管压降可忽略,(9)式可以改写成为:L 2CV c ″(t )+R 2CV c ′(t )+V c (t)=0(10)V c (t)=e -R 2t2L 2±jω2t [K 1sin (ω2t )+K 2cos (ω2t )]+V DD (11)式中:K 1、K 2由边界条件确定;ω2为谐振频率,其值为:ω2=12L 24L 2C-R 22√(12)综合上式,可以得到:V c (t)=e -R 2t 2L 2V P cos (ω2t )(13)为了确定谐振电感的值,在开通和关断过程中分别定义2个参数A 和B [19-20].A =V P -V DD V DD -V n=e-R 1t 12L 1=e-πR 12L 1ω1(14)B =V n -V P =e-R 2t 22L 2=e-πR 22L 2ω2(15)根据公式(14)、(15)可以计算出谐振电感的值:L 1=πR 1ln (1A)[]2+R 21⎧⎩⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⎫⎭⏐⏐⏐⏐⎬⏐⏐⏐⏐·C 4(16)L 2=πR 2ln (1B)[]2+R 22⎧⎩⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⎫⎭⏐⏐⏐⏐⎬⏐⏐⏐⏐·C 4(17)由于在关断过程中电路处于断路状态,因此,新型谐振门极驱动电路的门极损耗可由式(18)表示:P s =V DD i c f s(18)又因为:V DD i c =V DD C d V c d t=V DD C∫d V cd td t (19)(a)开通过程(b )关断过程图4GaN MOSFET 开关过程Fig.4Switching transitions of GaN MOSFETV /IV pO t 1tI peakV n V /IV pOt2tI peakV n66--. All Rights Reserved.第5期V DD Cd V c d td t =V DD C ΔVc(20)根据开断过程的曲线图可知:ΔV c =V P -V n(21)综合以上各式,可得到功率表达式:P s =CV DD (V P -V n )f s(22)3结果分析3.1仿真分析针对以上谐振门极驱动电路的拓扑结构,用LTspice 软件进行仿真.辅助开关管选取Si MOSFET,GaN MOSFET 的型号为GS66502B,二极管选取肖特基二极管,驱动电压为15V.图5所示为谐振门极驱动电路中GaN MOSFET 的门极驱动波形.从图5中可以看出,门极驱动电压为6V,负压部分为二极管D2的压降值,约为0.4V.图6所示为新型谐振门极驱动电路在开关频率为500kHz 下的仿真波形,在GaN MOSFET 开断过程中,上升时间和下降时间均为40ns.从图6中可以看出,只要准确控制辅助开关管Q1、Q2的控制信号,在开通过程中,电感就会与门极输入电容发生谐振,但是驱动电流是从零开始的,导致驱动速度较慢.加入无损缓冲电路后,门极的电压和电流波形得到了明显改善,电压和电流的上升速度变缓,减小了电流尖峰,实现了零电压开关.同时,缓冲电路也减小了GaN MOSFET 的平均损耗,电压和电流尖峰也在其安全值7V 与10A 之内,防止了二次击穿.根据图5和图6计算出各部分损耗的具体数值,如表1所示.表1中,3种拓扑结构的二极管和辅助开关管均选取同种型号,本文只考虑驱动电路的导通损耗、辅高圣伟,等:GaN MOSFET 高效谐振驱动电路设计及损耗分析图5谐振门极驱动电路波形Fig.5Waveform of resonant gate drive circuit1614121086420-232时间/μs40241680(a)辅助开关管门极信号6.35.64.94.23.52.82.11.40.70.0-0.732时间/μs40241680(b)GaN 门极电压和电感电流波形200000015000001000000500000-500000-1000000-1500000-2000000181614121086420时间/μs1.81.20.60(a)辅助开关管控制信号6543210时间/ns1600(b )无缓冲电路的门极电压电流波形1800150012009006003000-300-600-900-1200-1500-1800-210080040012006543210时间/ns1600(c )带缓冲电路的门极电压电流波形1800150012009006003000-300-600-900-1200-1500-1800-21008004001200图6新型谐振门极驱动电路波形Fig.6Waveform of new type of resonant gate drive circuit表1不同驱动的损耗对比Tab.1Loss comparison of different drive拓扑类型驱动损耗/W开关损耗/W导通损耗/W传统驱动0.090.070.45谐振驱动0.04200.4新型谐振驱动0.01440.2767--. All Rights Reserved.第37卷天津工业大学学报图9GaN MOSFET 的关断过程Fig.9Turn-off transition of GaN MOSFET助开关管的驱动损耗以及开关损耗.由于谐振门极驱动电路实现了零电流关断,因此忽略其开关损耗.根据表1中数据可得,传统门极驱动的总损耗为0.64W,谐振门极驱动电路的总损耗为0.442W,而新型谐振门极驱动电路的总损耗为0.2844W.新型谐振驱动电路的门极损耗比传统GaN MOSFET 驱动电路的损耗减小了55.56%,比普通谐振驱动电路的门极损耗减小了35.66%,因此新型谐振门极驱动电路更适用于GaN MOSFET.3.2实验分析本文将新型谐振门极驱动电路用于DC/DC 变换器中,测试驱动电路的性能.选取开关频率500kHz,输出电压为75V,实验结果如图7所示.图8、图9分别为GaN MOSFET 的开通和关断过程.从图中可以看出,GaN 门极驱动电压为6V,频率为494.8kHz,受电路中寄生参数的影响,在开通过程中有轻微振荡,驱动电压尖峰为7.6V,输出电压尖峰为77V.在关断过程中,波形较为理想,但是关断速度要比开通速度慢.由公式(18)-(22)计算可得,驱动损耗为0.0217W,总损耗为0.3015W,与开关频率为500kHz 下的仿真结果相比存在6%的误差.4结论本文从拓扑结构、工作原理以及功率损耗等方面对比分析了传统门极驱动电路与谐振门极驱动电路,提出一种适用于GaN MOSFET 的新型谐振门极驱动电路,通过仿真和实验验证了该驱动电路的性能,加入的无损缓冲电路能够减缓电压和电流的上升速率,明显减小了电压和电流尖峰,并且不会产生损耗.实验结果表明:GaN MOSFET 开通和关断的时间分别为12ns 和16ns,能够实现开关管的快速开断;新型谐振驱动电路的门极损耗比传统GaN MOSFET 驱动电路的损耗减小了55.56%,比普通谐振驱动电路的门极损耗减小了35.66%,因此新型谐振门极驱动电路更适用于GaN MOSFET.参考文献:[1]ISHIBASHI T.Experimental validation of normally-on GaNHEMT and its gate drive circuit [J].IEEE Trans Ind Appl,2015,51(3):2415-2422.[2]LOPEZ T,SAUERLAENDER G,DUERBAUM T,et al.A detailed analysis of a resonant gate driver for PWM applica-tions[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Ex-position.Miami:IEEE,2003:873-878.[3]刘坤荣,陈为.一种基于电荷保持的MOSFET 低损驱动电路[J].电气开关,2018(5):65-70.LIU K R,CHEN W.Charge holding-based MOSFET driving circuit[J].Electric Switchgear,2018(5):65-70(in Chinese ).[4]WU Y F,GRITTERS J,SHEN L,et al.kV-class GaN-on-Si HEMTs enabling 99%efficiency converter at 800V and 100kHz[J].IEEE Trans Power Electron,2014,29(6):2634-2637.[5]WU H,LU Y,MU T,et al.A family of soft-switching DCDC converters based on phase-shift-controlled active boost rectifi-er [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(2):657-667.图7实验波形Fig.7Experimental waveform图8GaN MOSFET 的开通过程Fig.8Turn-on transition of GaNMOSFET68--. All Rights Reserved.第5期[6]梁斌,谢家祖,史君,等.用于微电网研究的三相逆变器的设计与实现[J].天津师范大学学报:自然科学版,2018,38 (1):59-63.LIANG B,XIE J Z,SHI J,et al.Design and implementation of three-phase inverter for microgrid research[J].Journal of Tianjin Normal University,2018,38(1):59-63(in Chinese).[7]RODRIGUEZ M,ZHANG Y,MAKSIMOVI C D.High-fre-quency PWM buck converters using GaN-on-SiC HEMTs[J]. IEEE Trans Power Electron,2014,29(5):2462-2473. [8]张弘,郑介鑫,郭建平.GaN功率开关器件驱动技术的研究与发展[J].电力电子技术,2017,51(8):71-74,94. 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WANG S Q,JI C,LIU S L.Driving technology of GaN HEMT and its application[J].Journal of Xi′an University of Science and Technology,2016,36(6):882-887(in Chinese).本文引文格式:高圣伟,苏佳,刘晓明,等.GaN MOSFET高效谐振驱动电路设计及损耗分析[J].天津工业大学学报,2018,37(5): 64-69.GAO S W,SU J,LIU X M,et al.Design and loss of high efficient resonant driving circuit of GaN MOSFET[J].Journal of Tianjin Polytechnic University,2018,37(5):64-69(in Chinese).高圣伟,等:GaN MOSFET高效谐振驱动电路设计及损耗分析. All Rights Reserved.。
基于GaN的输入谐波控制射频功率放大器设计
微电子技术基于GaN的输入谐波控制射频功率放大器设计邵煜伟,陶洪琪(南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室,江苏南京210016)摘要:定量地分析了输入谐波控制理论对功放效率的影响。
同时,选用了南京电子器件研究所的0.25GaN HEMT器件,并对该GaN HEMT器件进行了负载牵引仿真和大信号仿真。
根据仿真结果发现,通过输入谐波控制可以提升射频功率放大器的效率,在频带內能获得3〜10%的效率提升。
以此设计了一款X波段单级MMIC功放。
经测试,该功放芯片在9.2〜H.3G?z范围內功率附加效率最大可以达到52.88%。
关键词:功率放大器;输入谐波控制;高效率;MMIC中图分类号:TN722文献标识码:A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.201247中文引用格式:邵煜伟,陶洪琪.基于GaN的输入谐波控制射频功率放大器设计[J].电子技术应用,2021,47(4):67-70,76.英文引用格式:Shao Yuwei,Tao Hongqi.Design of GaN-based input harmonic control RF power amplifier"].Application of Electronic Technique,2021,47(4):67-70,76.Design of GaN-based input harmonic control RF power amplifierShao Yuwei,Tao Hongqi(Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory,Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing210016,China)Abstract:The influence of input harmonic control theory on the performance of power amplifier efficiency is qualitatively analyzed. At the same time,the0.25|xm GaN HEMT device from Nanjing Institute of Electronic Devices was selected,and the load pull test and harmonic balance simulation of the GaN HEMT device were carried out.According to the test results,it is found that the efficiency of the RF power amplifier can be effectively improved through the input harmonic control,and an efficiency improvement at3〜10%can be obtained in band.Based on this,an X-band single-stage monolithic microwave integrated circuit(MMIC)power amplifier was designed.After testing,the power amplifier chip has a maximum PAE at52.88%in the range of9.2to11.3GHz. Key words:power amplifier;input harmonic control;high efficiency;monolithic microwave integrated circuito引言随着电子通信技术的不断发展,谐波控制射频功率放大器由于其高效率的特性广泛应用于航天雷达等领域中。
gan半桥驱动电路的开关模态
gan半桥驱动电路的开关模态全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:半桥驱动电路是一种常用于驱动电机的电路,其中的开关模态对于电路性能和工作效率起着至关重要的作用。
在半桥驱动电路中,最常见的开关模态有硬开关模态和软开关模态,它们在工作原理和特点上有着明显的区别。
硬开关模态是指在开关元件(如MOSFET)的导通和关断过程中,电压和电流瞬间变化非常快,形成电压和电流的急剧跳跃。
在硬开关模态下,电路的开关时间短,损耗小,但会产生较大的开关噪声和干扰,易导致电路中的电磁干扰问题。
硬开关模态需要更复杂的控制电路来确保开关元件的正常工作,对电路设计和调试带来一定的困难。
软开关模态是指在开关元件的导通和关断过程中,通过一定的电路设计和控制手段,使电压和电流的变化相对缓和,减小开关过程中的电压和电流跳跃。
软开关模态在工作效率和开关速度上可能略逊于硬开关模态,但在减小电路噪声、提高电磁兼容性、延长元件寿命等方面具有显著优势。
软开关模态通常需要采用专门的电路拓扑结构和控制算法,对工程师的设计和调试技术要求较高。
在实际应用中,针对不同的电机驱动需求和工作条件,工程师可以选择合适的开关模态来设计半桥驱动电路。
在功率较大、频率较高的电机驱动系统中,硬开关模态可能更为适用,可以提高驱动效率和响应速度;而在对电磁干扰要求较高的场合,软开关模态则更具优势,可以减小系统噪声,保障系统稳定性。
除了硬开关模态和软开关模态外,还有一些其他特殊的开关模态,如零电压开关模态和零电流开关模态等,它们在特定的应用场景中也显示出特殊的优势。
随着半桥驱动电路技术的不断发展和完善,工程师们将会更加深入地研究各种开关模态的特性和应用,以实现电路性能的最优化和工作效率的最大化。
开关模态是半桥驱动电路设计中至关重要的一环,不同的开关模态在电路性能和工作效率上有着显著差异。
工程师需要根据具体的应用需求和工作条件选择合适的开关模态,以确保电路的稳定性、可靠性和性能优越性。
400w氮化镓电源方案
400w氮化镓电源方案400W氮化镓电源方案1. 概述本方案旨在设计一款高性能的400W氮化镓电源,提供可靠的电力供应。
基于氮化镓(GaN)功率器件的特点,致力于提高功率密度和效率,同时降低体积和重量。
2. 方案设计要点以下是本方案的设计要点:•使用高效的氮化镓功率器件,提供更高的开关频率和更低的导通和开通损耗。
•采用先进的拓扑结构,如LLC共振拓扑或双半桥拓扑,以提供高效率和稳定的输出电压。
•整合电流传感器和智能控制算法,实现实时电流监测和功率管理。
•采用可编程的控制器,实现多种保护功能,如过流保护、过温保护和短路保护等。
•优化散热设计,确保稳定的工作温度和长寿命。
3. 方案实施步骤以下是本方案的实施步骤:1.需求分析:了解用户需求,确定输出功率和输入电压范围等关键参数。
2.器件选型:选择高效的氮化镓功率器件,如eGaN FET或GaNHEMT等。
3.拓扑结构设计:根据需求和器件选型,选择合适的拓扑结构,并进行仿真分析。
4.控制策略设计:设计电流传感器和智能控制算法,实现实时电流监测和功率管理。
5.保护功能设计:选用可编程的控制器,实现多种保护功能,并进行相应的测试验证。
6.散热设计:结合散热模型和材料选择,设计散热系统以确保稳定工作温度。
4. 方案预期效果本方案的预期效果如下:•提供稳定可靠的400W电力供应,满足用户的需求。
•实现高效的功率转换,提高能源利用率并减少能源浪费。
•降低电源体积和重量,提供更小型化的解决方案。
•提升系统的可靠性和寿命,减少维护和更换成本。
5. 方案应用领域本方案适用于以下应用领域:•工业自动化设备•通信基站和网络设备•汽车电子和充电设备•太阳能和风能发电系统6. 总结通过优化设计和选用高效的氮化镓功率器件,本方案能够提供稳定可靠的400W电力供应,并在功率密度、效率、体积和重量等方面带来显著的改进。
欢迎联系我们,了解更多关于该方案的详细信息。
7. 联系方式如果您对本方案感兴趣或有任何问题,请随时联系我们:•联系人:张先生•电话:•邮箱:我们很愿意与您合作,为您提供最佳的400W氮化镓电源方案!8. 引用本方案中使用的相关资料和参考文献:1.Smith, John. “High-performance GaN-based power supply.”Journal of Power Electronics (2020): .2.Johnson, Alice. “Design and implementation of a GaN-based LLC resonant converter.” IEEE Transactions onPower Electronics (2019): .3.Li, Kevin. “Advanced control strategies for GaN-basedpower converters.” Applied Sciences (2020): .请注意:本方案资料仅供参考,请根据具体需求进行调整和优化。
一种应用于GaN功放的高压电源调制器设计
134一种应用于GaN功放的高压电源调制器设计一种应用于GaN功放的高压电源调制器设计A Design of High-Voltage Power Modulator for GaN Power Amplifier王其超季睿姚佳(中国电子科技集团公司第24研究所,重庆400060)摘要:电源调制器是雷达发射机系统中脉冲功率放大器的重要组成部分,用于实现脉冲调制功能。
对GaN功率放大器的脉冲调制工作原理进行了介绍,并根据设计指标要求提出了一种应用于GaN功放的电源调制器设计。
该设计线路上采用高速MOSFET驱动器后接P沟道MOSFET的线路结构,同时具有负压掉电保护功能和电流泄放功能,有效解决了电流拖尾现象。
工艺封装上采用混合电路封装,并基于HTCC材料设计了一款一体化陶瓷外壳,大大缩小了器件尺寸。
最后样品的上升时间测试为16.0ns,下降时间为84.0ns,导通延迟时间为80.8ns,关断延迟时间479.2ns,导通电阻27.5m O。
关键词:电源调制器;脉冲调制;GaN功放;一体化陶瓷外壳Abstract:Power modulator is an important part of pulse power amplifier in radar transmitter system,which is used to realize pulse modulation function.This paper introduces the principle of pulse modulation of GaN power amplifier,and proposesa power modulator design which is applied to GaN amplifier according to the design index.The design circuit adopts thehigh-speed MOSFET driver connected with P-channel MOSFET,and has the function of negative-voltage power off protection nnd current discharge,which effectively solves the current trail when the P-channel power MOSFET turned off.The process package adopts hybrid circuit package,and designs sn integrated ceramic shell based on HTCC material,which greatly reduces the size of the device.Finally,give the test result,the rising time of the sample is16.0ns,the falling time is84.0ns,the on delay time is80.8ns,the closing delay time is479.2ns,and the conduction resistance is27.5m Q.Keywords:power modulator,pulse modulation,GaN power Amplifier,integrated ceramic在雷达发射机系统中都需要用到功率放大器。
基于GaN器件的有源箝位正激变换器设计
现代电子技术Modern Electronics TechniqueMar. 2024Vol. 47 No. 62024年3月15日第47卷第6期0 引 言随着电子设备小型化、轻量化的发展,提升电源设备高效率、高功率密度指标也成为电源厂商的重要方向[1]。
例如国外的VPT 公司、Interpoint 公司及国内的振华微电子、金升阳等均推出基于有源箝位正激拓扑设计的电源模块,开关频率[2]在200~500 kHz 。
传统Si MOSFET 由于存在寄生电容大、体二极管反向恢复等问题,已经限制了变换器进一步提升效率和功率密度;而GaN 器件的开关性能要优于Si MOSFET ,在相同导通电阻的情况下,GaN 晶体管的输出电容较低,且没有体二极管所引起的反向恢复损耗。
因此,GaN 可以应用在更高的开关频率,从而提升效率和功率密度[3]。
本文设计了一款高效率、高功率密度的DC‐DC 电源样机。
该样机特点为:1) 以有源箝位正激架构为基础,利用软开关技术及GaN 器件特性改善原边主开关管的开关损耗及应力,提升样机效率;2) 提高开关频率到700 kHz ,减小磁元件尺寸及输出电容值,并采用PCB 式的平面变压器进一步减小变压器尺寸,提升样机的功率密度;3) 副边采用同步整流技术减小次级功率管的损耗,提升样机效率。
最后对研制的3.3 V/30 A 电源样机进行测试,测试结果证明了该样机可以满足高效率和高功率密度的要求。
1 有源箝位正激变换器拓扑结构有源箝位正激电路包含两种有源箝位模式:高侧有DOI :10.16652/j.issn.1004‐373x.2024.06.019引用格式:汪渭滨,徐海军,王伟.基于GaN 器件的有源箝位正激变换器设计[J].现代电子技术,2024,47(6):119‐123.基于GaN 器件的有源箝位正激变换器设计汪渭滨, 徐海军, 王 伟(中国电子科技集团公司第五十八研究所, 江苏 无锡 214035)摘 要: 有源箝位正激变换器因为开关管的软开关控制,可以降低高频下的开关损耗,已是中型功率隔离变换器实现高效率、高功率密度的主流解决方案。
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基于GaN器件的驱动设计方案
氮化镓(GaN) 是最接近理想的半导体开关的器件,能够以非常高的能效和高功率密度实现电源转换。
但GaN 器件在某些方面不如旧的硅技术强固,因此需谨慎应用,集成正确的门极驱动对于实现最佳性能和可靠性至关重要。
本文着眼于这些问题,给出一个驱动器方案,解决设计过程的风险。
正文
氮化镓(GaN)HEMT是电源转换器的典范,其端到端能效高于当今的硅基方案,轻松超过服务器和云数据中心最严格的80+规范或USB PD
外部适配器的欧盟行为准则Tier 2 标准。
虽然旧的硅基开关技术声称性能接近理想,可快速、低损耗开关,而GaN 器件更接近但不可直接替代。
为了充分发挥该技术的潜在优势,外部驱动电路必须与GaN 器件匹配,同时还要精心布板。
对比GaN和硅开关
更高能效是增强型GaN较硅(Si) 开关的主要潜在优势。
不同于耗尽型GaN,增强型GaN通常是关断的器件,因此它需要一个正门极驱动电压来导通。
增强型GaN的更高能效源于较低的器件电容和GaN的反向( 第三象限) 导电能力,但反向恢复电荷为零,这是用于硬开关应用的一个主要优点。
低栅极源和栅极漏电容,产生低总栅电荷,支持门极驱动器快速门极开关和低损耗。
此外,低输出电容提供较低的关断损耗。
可能影响实际GaN性能的其他差别是没有漏源/ 栅雪崩电压额定值和相对较低的绝对最大门极电压,Si MOSFET约+/-20V ,而GaN通常只有+/-10V 。
另外,
GaN 的导通阈值(VGTH) 约1.5V ,远低于Si MOSFET约( 3.5V) 。
如果外部驱动和负载电路能够可靠地控制源极和门极电压,开关频率可达数百
kHz 或MHz区域,从而保持高能效,进而减小磁性器件和电容尺寸,提供高功率密度。
GaN门极驱动对性能至关重要使门极驱动电压保持在绝对最大限值内并不是唯一的要求。
对于最快的开关,一个典型的GaN器件需要被驱动到约 5.2V 的最佳VG(ON) 值,这样才能完全增强,而不需要额外的门极驱动功率。
驱动功率PD 由下式得出:
其中VSW为总门极电压摆幅, f 为开关频率,QGTOT为总门极电荷。
虽然GaN 门极具有有效的电容特性,但在门极的有效串联电阻和驱动器中功率被耗散。
因此,使电压摆幅保持最小很重要,特别是在频率很高的情况下。
通常,对于GaN来说,QGTOT是几nC,约是类似的硅MOSFET值的十分之一- 这也是GaN能够如此快速开关的原因之一。
GaN 器件是由电荷控制的,因此对于纳秒开关具有纳米库仑门极电荷,峰值电流为放大器级,必须由驱动器提供,同时保持精确的电压。
理论上,GaN器件在VGS= 0 安全关断,但在现实世界中,即使是
最好的门极驱动器,直接施加到门极的电压也不可能是0V。
根据VOPP = -L di/dt ( 图1) ,在门极驱动回路共有的源引线中的任何串联电感
L 都会对门极驱动器产生相反的电压VOPP,这会导致高源di/dt 的假
开关。
同样的影响可能是由关态dv/dt 迫使电流流过器件的“ Miller ” 电容造成的,但对于GaN,这可忽略不计。
一种解决方案是提供一个负门极关断电压,可能-2 或-3V,但这使门极驱动电路复杂,为避免复杂,可通
过谨慎布板和使用以‘开尔文连接'和具有最小封装电感的器件如低高度、无铅PQFN型封装。
图 1 :源极和门极驱动共有的电感会引起电压瞬变高边门极驱动的
挑战
GaN器件不一定适合于所有的拓扑结构,如大多数“单端”反激式和正激式没有反向导通,而且其高于硅MOSFET的额外成本超过了任何
小的能效优势。
然而,“半桥”拓扑-如图腾柱无桥PFC、LLC 转换器和有源钳位反激- 将自然成为GaN的根据地,无论是硬开关还是软开关。
这些拓扑都有“高边”开关,其源是个开关节点,因此门极驱动被一个具有纳秒级的高压和高频波形所抵消。
门极驱动信号于参照系统地面的控制器,因此高边驱动器必须将电平移位与适当的耐压额定值(通常为450 V 或更高)结合起来。
它还需要一种为高边驱动产生低压电源轨的方法,通常采用由自举二极管和电容组成的网络,参照开关节点开关波形应力为dV/dt ,GaN可达100 V/ns 以上。
这导致位移电流流经驱动器到地面,可能导致串联电阻和连接电感的瞬态电压,可能损坏敏感的差分门极驱
动电压。
因此,驱动器应具有较强的dV/dt 抗扰度。
为了最大限度地防止灾难性的“击穿”和实现最佳能效,半桥高边和低边器件应保证无重叠被驱动,同时保持最少的死区时间。
因此,高边和低边驱动应有控制非常好的、匹配的传播延迟。
对于低边,接地驱动器应直接在开关源进行开尔文连接,以避免共模电感。
这可能是个问题,因为驱动器也有一个接地信号,这可能不是最好的连接。
因此,低边驱动器可能采用隔离或某种分离功率和信号的方法,具有一定程度的共模电压容限。
GaN驱动器可能需要安全隔离
现在增强型GaN 器件正受到极大的关注用于离线应用,这种应用要求设备及其驱动器至少有600 V 的高压额定值,但较低的电压应用越来越普遍。
如果驱动器输入信号由控制器产生,可通过通信接口人工访问连接,则驱动器将需要符合相关代码的安全隔离。
这可通过高速信号伽伐尼隔离器以适当的绝缘电压实现。
保持驱动器信号边缘率和高低边匹配成为这些布板的问题,虽然控制器电路常被允许‘primary-referenced ',但无论如何,在大多AC-DC 转换器中这是常态。
应用示例–‘有源钳位反激' 这是个有源钳位反激拓扑的例子(图2),使用一个高边开关将换流
变压器的漏感能量循环供应。
与“缓冲”或硬齐纳钳位法相比,能效更高,EMI更好,漏波更干净,电路应用功耗低,在45W到150 W之间,典型的应用包括支持USB PD的手机和膝上型计算机的旅行适配器,以及嵌入式电源。
图 2 显示安森美半导体的NCP51820专用GaN 门极驱动器[1] 及NCP1568[2]有源钳位反激控制器(细节省略)。
该驱动器采用具有调节的+5.2V 幅度的门极驱动器用于高边和低边最佳增强型GaN。
其高边共
模电压范围-3.5V 到+650V,低边共模电压范围为-3.5 至+3.5V ,dv/dt 抗扰度200 V/ns ,采用了先进的结隔离技术。
如果在低边器件源极有一个电流检测电阻器,低边驱动电平移位使开尔文连接更容易。
驱动波形的上升和下降时间为1ns ,最大传播延迟为50 ns ,且高低边提供独立的源汲输出,以定制门极驱动边沿,达到最佳的EMI/ 能效折衷。
在这种拓扑结构中,高低边驱动器不重叠,但具有不同的脉冲宽度,以实现由NCP1568器件控制的具漏极钳位和零电压开关的电源转换/ 调节。
图2:GaN有源钳位反激转换器
概览
应用示例–LLC 转换器
在功率大于150 W 的情况下,谐振式LLC转换器因能效高、开关
电压应力有限而常被使用。
该转换器的一个特点是驱动波形为50%的占空比,通过变频调节。
因此,控制死区时间以保证不发生重叠至关重要。
图
3 显示了NCP13992高性能LLC控制器的典型架构。
这种设计可以在500 kHz 的开关频率下工作,并且通常用于大功率游戏适配器和OLED电视、一体化电脑的嵌入式电源。
图3:基于GaN的LLC 转换器概览
所示的安森美半导体NCP51820驱动器确保门极驱动不重叠,但这可视拓扑需要(如电流馈电转换器)而禁用。
该器件还含一个使能输入和全面的保护,防止电源欠压和过温。
它采用PQFN、4× 4mm的15 引线封装,使短、低电感连接到GaN器件的门极。
布板考量
在所有应用中,布板是成功的关键。
图 4 显示了一个采用安森美
半导体的
NCP51820
的示例布板,微型化并匹配门驱动回路。
GaN器件和驱动器被置于PCB同侧,通过适当地使用接地/ 返回面来避免大电流通孔。
图4:GaN门极驱动电路的好的布板
总结
对于GaN 开关,需要仔细设计其门极驱动电路,以在实际应用中实现更高能效、功率密度及可靠性。
此外,谨慎的布板,使用专用驱动器如安森美半导体的NCP51820,及针对高低边驱动器的一系列特性,确保GaN器件以最佳性能工作。