一種氮化鎵基隔離dc-dc電源模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊，包括檢測(cè)保護(hù)模塊、功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊、整流濾波模塊、反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊、PWM調(diào)制模塊，其特征在于：功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊中的功率開(kāi)關(guān)管Q1、Q2采用的是eGANFET，整流濾波模塊中的二極管D1、D2采用的是L-FER橫向場(chǎng)控二極管，此模塊采用硅基驅(qū)動(dòng)芯片+eGANFET功率管的全新驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，顯著降低產(chǎn)品的體積，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高功率密度，輸出端采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的L-FER橫向場(chǎng)控二極管，導(dǎo)通電壓VF約0.2V，遠(yuǎn)低于常規(guī)的AlGaN/GaNSBD整流與續(xù)流二極管約1.3V的導(dǎo)通電壓，可降低系統(tǒng)約60%的功耗，提高效率。
【專利說(shuō)明】—種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，涉及一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]目前市面上的電源模塊產(chǎn)品多為NM0SFET功率管制作生產(chǎn)的，這類產(chǎn)品體積比較大，使用起來(lái)比較笨重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大電流輸出，同時(shí)產(chǎn)品的效率不高，在高溫環(huán)境下工作可靠性不高，從而效率也不高。
[0003]現(xiàn)有的DC-DC模塊存在以下缺點(diǎn):
[0004]第一、功率密度已趨于飽和。功率集成電路技術(shù)進(jìn)步一直是DC-DC功率變換的驅(qū)動(dòng)力，但硅基功率半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)歷近50年的發(fā)展已趨于成熟，該器件性能以RW，SP①BV1-23變化規(guī)律改善，已接近理論比導(dǎo)通電阻率RoN，sp約ImQ ? cm2、單位擊穿電壓30V/Mm、最短導(dǎo)通維持時(shí)間IOOlOOns等本征固有參數(shù)，這導(dǎo)致硅DC-DC難以在MHz高頻率下工作時(shí)繼續(xù)保持升降壓大于10:1且效率高于90%的功率變換。
[0005]第二、電源工作窗口提升空間有限。傳統(tǒng)的DC-DC模塊采用硅基功率M0SFET，隨著開(kāi)關(guān)頻率從KHz向MHz不斷提升，開(kāi)關(guān)損耗同比例增加。為此，電路設(shè)計(jì)者只能采取以犧牲電路驅(qū)動(dòng)能力，降低輸出總功率的方法，來(lái)滿足電路的總功耗，這自然壓縮了電源工作窗□。
[0006]第三、常規(guī)電源模塊設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。硅電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)是建立在單向工作狀態(tài)的硅PN半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)之上，因此電路設(shè)計(jì)要增添較多的異常保護(hù)功能，在時(shí)序邏輯上、電流和電壓控制等方面上保證此類電源模塊正常工作。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型所要解決的問(wèn)題是針對(duì)【背景技術(shù)】的缺陷，提出一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊。氮化鎵基DC-DC電源模塊將主流的硅基驅(qū)動(dòng)技術(shù)與最新技術(shù)的eGAN FET功率管在電源應(yīng)用中集成融合，具有高輸出功率、小型化的的特點(diǎn)，是一種新型隔離DC-DC模塊。此模塊提出硅基驅(qū)動(dòng)芯片+eGAN FET功率管的全新驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)架構(gòu)，輸出端采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的L-FER橫向場(chǎng)控二極管，實(shí)現(xiàn)高功率密度、大電流輸出，以及在高效率、高溫、高頻條件下的可靠性應(yīng)用，符合未來(lái)電源系統(tǒng)小型化、多功能、高集成度的、高可靠性的發(fā)展趨勢(shì)。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊，包括檢測(cè)保護(hù)模塊、反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊和PWM調(diào)制模塊，檢測(cè)保護(hù)模塊經(jīng)由濾波電路與電源相連；其特征在于:還包括功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊和整流濾波模塊，其中，功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊包括驅(qū)動(dòng)控制1C、第一功率開(kāi)關(guān)管、第二功率開(kāi)關(guān)管和平板變壓器，所述的第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管都采用的是eGAN FET功率管，所述平板變壓器具有原邊繞組和副邊繞組，原邊繞組包括初級(jí)繞組和輔助繞組，所述電源與驅(qū)動(dòng)控制IC的電源輸入端相連，為其提供工作電源；驅(qū)動(dòng)控制IC的低壓直流信號(hào)輸入端和低電平輸入端分別與檢測(cè)保護(hù)模塊的低電平輸入端和平板電壓器的輔助繞組連接，而驅(qū)動(dòng)控制IC的高電壓輸出端和低電壓輸出端分別連接第一、二功率開(kāi)關(guān)管的柵極，所述驅(qū)動(dòng)控制IC根據(jù)檢測(cè)保護(hù)模塊輸出的低壓直流信號(hào)信號(hào)和輔助繞組輸出的直流低壓信號(hào)，分別為第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管提供高、低驅(qū)動(dòng)電壓；
[0010]所述第一功率開(kāi)關(guān)管的漏極與電源相連，第一功率開(kāi)關(guān)管的源極和第二功率開(kāi)關(guān)管的漏極相連，并共同連接平板電壓器的初級(jí)繞組的異名端，第二功率開(kāi)關(guān)管的源極接地；
[0011]平板變壓器的初級(jí)繞組的同名端與檢測(cè)保護(hù)模塊的輸入端相連；
[0012]整流濾波模塊包括第一整流二極管、第二整流二極管、電感和電容，所述的第一整流二極管和第二整流二極管都采用的是L-FER橫向場(chǎng)控二極管；
[0013]第一整流二極管和第二整流二極管的輸入端分別連接平板變壓器的副邊繞組兩端，所述的第一整流二極管和第二整流二極管的輸出端都與電感的一端相連，所述電感的另一端經(jīng)由電容接地，且該電感的另一端與反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端相連，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)輸出端與PWM調(diào)制模塊輸入端相連，PWM調(diào)制模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)控制IC的低壓直流信號(hào)輸入端相連，將矩形波信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)控制1C。
[0014]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊誤差運(yùn)放采用的芯片型號(hào)為L(zhǎng)M8261。
[0015]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述的L-FER橫向場(chǎng)控二極管的導(dǎo)通電壓約0.2V。
[0016]本實(shí)用新型采用上述方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0017](I)本實(shí)用新型集成最新技術(shù)eGAN FET功率管，當(dāng)處于開(kāi)關(guān)頻率為600KHz時(shí)，輸入電壓Vin/輸出電壓Vtjut為12V/1.2V時(shí)，前者驅(qū)動(dòng)能力是后者的I倍且轉(zhuǎn)換效率同時(shí)提高10%，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高功率密度，相同工作頻率和輸出功率前提下，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品效率提高5%?10% ；
[0018](2)本實(shí)用新型集成最新技術(shù)eGAN FET功率管，有效提升電源工作窗口空間，無(wú)論工作在低頻(小于1MHZ)或高頻(大于1MHZ)下，均能時(shí)有效提升轉(zhuǎn)換效率和功率密度，可實(shí)現(xiàn)NM0SFET功率管不能實(shí)現(xiàn)的大電流輸出，尤其是大于15A的電流輸出；
[0019](3)本實(shí)用新型集成最新技術(shù)eGAN FET功率管，采用硅基集成技術(shù)，減少了外圍電路，顯著降低產(chǎn)品的體積，與NM0SFET產(chǎn)品相比，符合產(chǎn)品小型化趨勢(shì)；
[0020](4)本實(shí)用新型集成最新技術(shù)eGAN FET功率管，工作于高溫環(huán)境時(shí)更加可靠；
[0021](5)本實(shí)用新型輸出端采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的L-FER橫向場(chǎng)控二極管，導(dǎo)通電壓Vf約0.2V，遠(yuǎn)低于常規(guī)的AlGaN/GaN SBD整流與續(xù)流二極管約1.3V的導(dǎo)通電壓，可降低系統(tǒng)約60%的功耗，提高效率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型DC-DC模塊示意圖；
[0023]圖2是本實(shí)用新型的電路連接圖；
[0024]圖3是本實(shí)用新型的L-FER橫向場(chǎng)控二極管正向特性的仿真測(cè)試圖；
[0025]其中；圖中左側(cè)曲線為L(zhǎng)-FER橫向場(chǎng)控二極管的仿真測(cè)試曲線，右側(cè)曲線為現(xiàn)有AlGaN/GaN SBD整流與續(xù)流二極管的仿真測(cè)試曲線。
[0026]圖4是本實(shí)用新型采用的電源模塊與現(xiàn)有電源模塊的性能曲線對(duì)比圖。
[0027]其中:實(shí)線為本實(shí)用新型電源模塊的性能曲線，三條虛線為現(xiàn)有電源模塊的性能曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
[0029]一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊，如圖1所示，包括檢測(cè)保護(hù)模塊、反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊和PWM調(diào)制模塊，檢測(cè)保護(hù)模塊經(jīng)由濾波電路與電源相連；其特征在于:還包括功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊和整流濾波模塊，其中，功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊包括驅(qū)動(dòng)控制1C、第一功率開(kāi)關(guān)管、第二功率開(kāi)關(guān)管和平板變壓器，所述的第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管都采用的是eGAN FET功率管，所述平板變壓器具有原邊繞組和副邊繞組，原邊繞組包括初級(jí)繞組和輔助繞組，所述電源與驅(qū)動(dòng)控制IC的電源輸入端相連，為其提供工作電源；驅(qū)動(dòng)控制IC的低壓直流信號(hào)輸入端和低電平輸入端分別與檢測(cè)保護(hù)模塊的低電平輸入端和平板電壓器的輔助繞組連接，而驅(qū)動(dòng)控制IC的高電壓輸出端和低電壓輸出端分別連接第一、二功率開(kāi)關(guān)管的柵極，所述驅(qū)動(dòng)控制IC根據(jù)檢測(cè)保護(hù)模塊輸出的低壓直流信號(hào)信號(hào)和輔助繞組輸出的直流低壓信號(hào)，分別為第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管提供高、低驅(qū)動(dòng)電壓；
[0030]所述第一功率開(kāi)關(guān)管的漏極與電源相連，第一功率開(kāi)關(guān)管的源極和第二功率開(kāi)關(guān)管的漏極相連，并共同連接平板電壓器的初級(jí)繞組的異名端，第二功率開(kāi)關(guān)管的源極接地；
[0031]平板變壓器的初級(jí)繞組的同名端與檢測(cè)保護(hù)模塊的輸入端相連；
[0032]整流濾波模塊包括第一整流二極管、第二整流二極管、電感和電容，所述的第一整流二極管和第二整流二極管都采用的是L-FER橫向場(chǎng)控二極管；
[0033]第一整流二極管和第二整流二極管的輸入端分別連接平板變壓器的副邊繞組兩端，所述的第一整流二極管和第二整流二極管的輸出端都與電感的一端相連，所述電感的另一端經(jīng)由電容接地，且該電感的另一端與反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端相連，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)輸出端與PWM調(diào)制模塊輸入端相連，PWM調(diào)制模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)控制IC的低壓直流信號(hào)輸入端相連，將矩形波信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)控制1C。
[0034]實(shí)施例采用的如圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，功率傳輸模塊包括驅(qū)動(dòng)控制1C，即圖2中的芯片Ul、eGAN FET功率管Ql和Q2、平板變壓器T2 ;整流濾波模塊包括L-FER橫向場(chǎng)控二極管Dl和D2、電感L1、電容C3 ;所述反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊包括誤差運(yùn)放U4、電阻R5、R6、R7、財(cái)，電容04、05、06，光耦仍；所述PWM調(diào)制模塊包括IC內(nèi)部比較器U2及IC內(nèi)部PWM邏輯控制電路，其中，驅(qū)動(dòng)控制IC的電源輸入端與電源相連，驅(qū)動(dòng)控制IC的電流采樣端，即CS端與檢測(cè)保護(hù)模塊的電流信號(hào)輸出端相連，驅(qū)動(dòng)控制IC的輔助電壓端與變壓器輔助供電端相連，驅(qū)動(dòng)控制IC的HO端和LO端分別與eGAN FET功率管Ql和eGAN FET功率管Q2的柵極相連；eGAN FET功率管Ql的漏極與電源相連，eGAN FET功率管Ql的源極和eGAN FET功率管Q2的漏極相連，并都與平板電壓器T2的的AUX端相連，eGAN FET功率管Q2的源極接地，平板變壓器Tl的PRI端與變壓器Tl的信號(hào)輸入端相連，平板變壓器T2的兩個(gè)SEC端分別與整流濾波模塊的L-FER橫向場(chǎng)控二極管Dl和L-FER橫向場(chǎng)控二極管D2的輸入端相連，所述的L-FER橫向場(chǎng)控二極管Dl和L-FER橫向場(chǎng)控二極管D2的輸出端都與電感LI的一端相連，所述電感LI的另一端并聯(lián)一個(gè)接地的電容C3，并與反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊的電阻R5的一端相連,所述電阻R5的一端與電阻R6的一端相連,所述電阻R6的另一端與電容C6的一端相連，所述電容C6的另一端所述電阻R5的另一端相連后接一個(gè)接地的電阻R7，所述電阻R5的另一端同時(shí)還與誤差運(yùn)放U4的低電平端相連，同時(shí)與電容C4、C5的一端相連，所述電容C4的另一端與電阻R4的一端相連,所述電阻R4的另一端與電容C5的另一端相連后，接到誤差運(yùn)放U4的輸出端，誤差運(yùn)放U4的高電平輸入端接一個(gè)高電平，誤差運(yùn)放U4的信號(hào)輸出端接光稱U3的信號(hào)輸入端,光稱U3的高電平輸入端接一個(gè)高電平,光稱U3的信號(hào)輸出端接比較器U2的低電平輸入端，比較器U2的高電平輸入端接鋸齒波信號(hào)，比較器U2的輸出端接驅(qū)動(dòng)控制IC的COMP端。
[0035]檢測(cè)保護(hù)模塊的核心元件為電流互感器Tl，通過(guò)設(shè)定合理的保護(hù)閾值，當(dāng)輸出功率超出模塊最大功率范圍時(shí)，反映到驅(qū)動(dòng)控制IC端電壓信號(hào)超出正常值，驅(qū)動(dòng)控制IC會(huì)停止內(nèi)部振蕩電路工作。此功能可以限制系統(tǒng)輸入電流，保護(hù)模塊因輸入電流過(guò)大引起的損壞。
[0036]功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊利用硅基芯片驅(qū)動(dòng)集成最新技術(shù)的eGAN FET功率管，搭配經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的平板變壓器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率大于85%、恒壓50W輸出。
[0037]整流濾波模塊為濾波電感LI和濾波電容C3構(gòu)成的LC濾波網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)平滑變壓器的兩個(gè)SEC端輸出的方波信號(hào)，使其紋波控制在50mV，由于采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的L-FER橫向場(chǎng)控二極管，導(dǎo)通電壓Vf約0.2V，遠(yuǎn)低于常規(guī)的AlGaN/GaN SBD整流與續(xù)流二極管約1.3V的導(dǎo)通電壓，可降低系統(tǒng)約60%的功耗，性能得到提升。
[0038]反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊為電壓補(bǔ)償III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用誤差運(yùn)放的芯片型號(hào)為L(zhǎng)M8261和光耦，監(jiān)測(cè)輸出電壓信號(hào)的微小變化并反饋到PWM模塊的輸入端，在滿足要求的帶寬下，實(shí)現(xiàn)快速負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
[0039]PWM調(diào)制模塊將采集到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制IC設(shè)定好的鋸齒波信號(hào)RAMP作比較和內(nèi)部處理，通過(guò)改變高低側(cè)功率開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比最終改變變壓器輸入端信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出電壓至5V。
[0040]驅(qū)動(dòng)控制IC包括驅(qū)動(dòng)芯片和控制芯片，功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊采用硅基驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)eGANFET功率管，整流濾波模塊采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的L-FER橫向場(chǎng)控二極管，圖3是L-FER橫向場(chǎng)控二極管正向特性的仿真測(cè)試圖，這樣做的技術(shù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在前文介紹，此模塊基本技術(shù)參數(shù)如表I所示:
[0041]表I
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊，包括檢測(cè)保護(hù)模塊、反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊和PWM調(diào)制模塊，檢測(cè)保護(hù)模塊經(jīng)由濾波電路與電源相連；其特征在于:還包括功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊和整流濾波模塊，其中，功率傳輸轉(zhuǎn)換模塊包括驅(qū)動(dòng)控制1C、第一功率開(kāi)關(guān)管、第二功率開(kāi)關(guān)管和平板變壓器，所述的第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管都采用的是eGAN FET功率管，所述平板變壓器具有原邊繞組和副邊繞組，原邊繞組包括初級(jí)繞組和輔助繞組，所述電源與驅(qū)動(dòng)控制IC的電源輸入端相連，為其提供工作電源；驅(qū)動(dòng)控制IC的低壓直流信號(hào)輸入端和低電平輸入端分別與檢測(cè)保護(hù)模塊的低電平輸入端和平板電壓器的輔助繞組連接，而驅(qū)動(dòng)控制IC的高電壓輸出端和低電壓輸出端分別連接第一、二功率開(kāi)關(guān)管的柵極，所述驅(qū)動(dòng)控制IC根據(jù)檢測(cè)保護(hù)模塊輸出的低壓直流信號(hào)信號(hào)和輔助繞組輸出的直流低壓信號(hào)，分別為第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管提供高、低驅(qū)動(dòng)電壓； 所述第一功率開(kāi)關(guān)管的漏極與電源相連，第一功率開(kāi)關(guān)管的源極和第二功率開(kāi)關(guān)管的漏極相連，并共同連接平板電壓器的初級(jí)繞組的異名端，第二功率開(kāi)關(guān)管的源極接地； 平板變壓器的初級(jí)繞組的同名端與檢測(cè)保護(hù)模塊的輸入端相連； 整流濾波模塊包括第一整流二極管、第二整流二極管、電感和電容，所述的第一整流二極管和第二整流二極管都采用的是L-FER橫向場(chǎng)控二極管； 第一整流二極管和第二整流二極管的輸入端分別連接平板變壓器的副邊繞組兩端，所述的第一整流二極管和第二整流二極管的輸出端都與電感的一端相連，所述電感的另一端經(jīng)由電容接地，且該電感的另一端與反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端相連，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)輸出端與PWM調(diào)制模塊輸入端相連，PWM調(diào)制模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)控制IC的低壓直流信號(hào)輸入端相連，將矩形波信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)控制1C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊，其特征在于:所述的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)模塊采用LM8261。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基隔離DC-DC電源模塊，其特征在于:所述的L-FER橫向場(chǎng)控二極管的導(dǎo)通電壓為0.2V。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK203482098SQ201320549308
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】孫海濤, 胡南中, 黃偉, 李海鷗, 于宗光 申請(qǐng)人:無(wú)錫晶凱科技有限公司