CN112003468A - 一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路 - Google Patents

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Abstract

一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，包括控制IC模块、驱动IC模块和功率转换模块，驱动IC模块包括第一驱动IC1和第二驱动IC2；功率转换模块包括第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；控制IC模块用于为产生功率转换模块提供所需的时钟信号；驱动IC模块用于驱动GaN功率开关管，包括第一驱动IC1和第二驱动IC2，第一驱动IC1用于驱动第一GaN功率开关管G1和第二GaN功率开关管G2，第二驱动IC2用于驱动第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；输入信号Vin经过功率转换模块的放大后做为输出信号Vout。

Description

一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路
技术领域
本发明涉及开关转换器领域，特别涉及一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路。
背景技术
21世纪是信息爆炸的时代，信息的产生、传递、接收、处理和储存等都需要依赖电磁波作为载体。广义地说，声波、无线电波、光波均可作为信息载体，因此，广义的电磁兼容性概念也应拓展到声、光、电的广阔领域。
在复杂的电磁环境中，任何电子及电气产品除了本身能够承受一定的外来电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）而保持正常工作外，还不会对其他电子及电气设备产生不可承受的电磁干扰，该产品即具有电磁兼容性（ElectromagneTIcCompaTIbility，EMC）。
电子及电气产品的电磁干扰发射或受到电磁干扰的侵害都是通过产品的外壳、交/直流电源端口、信号线、控制线及地线而形成的。按照EMI的传播方式，可将其分为电磁辐射干扰和电磁传导干扰两大类。通常，辐射干扰出现在产品周围的媒体中，传导干扰则出现在各种导体中。一般来说，通过外壳发射的电磁干扰，或通过外壳侵入的干扰都是辐射干扰，而通过其它导体发射和入侵的干扰属于传导干扰。
传统的功率转换器电路常采用基于电感的开关电源型结构，在诸如无人机、航空航天设备用电子设备中，开关电源的EMI抑制成为一个难题。开关电容型转换器电路用电容替换电感作为充能元件，在EMI上面具有较好的优势，同时GaN器件具有导通电阻低、开关速度快的特点，使其在开关电容型转换器电路方面具有广阔的前景。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，解决了传统的开关电源型功率转换器电路需要电感器引入较大的EMI的不足。
本发明采用的技术方案如下：
一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，包括控制IC模块、驱动IC模块和功率转换模块，所述驱动IC模块包括第一驱动IC1和第二驱动IC2；
所述功率转换模块包括第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；所述第一GaN功率开关管G1的源极连接输入电压Vin和输入电容Cin的上极板并和第三GaN功率开关管G3的源极连接，所述第一GaN功率开关管G1的栅极连接到第一驱动IC1低输出信号端LO1，所述第一GaN功率开关管G1的漏极连接第二GaN功率开关管G2的源极并和开关电容Cfly的上极板相连；
所述第二GaN功率开关管G2的栅极与第一驱动IC1的高输出信号端HO1连接，所述第二GaN功率开关管G2的漏极与输出电容Cout的上极板相连并与负载连接，并且第二GaN功率开关管G2的栅极作为输出电压Vout端；
所述第三GaN功率开关管G3的栅极连接到第二驱动IC2的高输出信号HO2，所述第三GaN功率开关管G3的漏极连接到开关电容Cfly的下极板并和第四GaN功率开关管G4的漏极连接；
所述第四GaN功率开关管G4的栅极连接到第二驱动IC2的低输出信号LO2，所述第四GaN功率开关管G4的源极和输入电容Cin的下极板、输出电容Cout的下极板连接。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述控制IC模块连接到第一驱动IC1的输入端口和第二驱动IC2的输入端口。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述功率转换模块内的第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4这四个功率开关管的源极和漏极上分别并联一个二极管，每个二极管的正极连接到功率开关管的源极，所述二极管的负极连接到同一个功率开关管的漏极。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述第四GaN功率开关管G4的源极接地。
在本方案中，使用了四个GaN功率开关管，分别为第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4经过上述的连接关系，组成了一个开关电容型转换器电路，其中控制IC模块用于为产生功率转换模块提供所需的时钟信号，可以使用现有技术中的多种控制IC模块；驱动IC模块用于驱动GaN功率开关管，包括第一驱动IC1和第二驱动IC2，第一驱动IC1用于驱动第一GaN功率开关管G1和第二GaN功率开关管G2，第二驱动IC2用于驱动第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；输入信号Vin经过功率转换模块的放大后做为输出信号Vout，在本方案的电路中并没有基于电感，而是使用电容替换电感作为充能元件，在开关电源的EMI抑制上有较好的优势。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，使用电容替换电感作为充能元件，并且使用四个GaN功率开关管进行功率放大，整体电路未使用电感元件，获得了EMI的性能；
2.本发明所述的一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，使用电容替换电感作为充能元件，并且使用四个GaN功率开关管进行功率放大，整体电路未使用电感元件，输出稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的电路的整体结构框图；
图2是本发明的电路经过LTspice仿真得到的输出电流与输出电压仿真图；
图3是本发明的电路在10Hz~1GHz范围内EMI仿真图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图3对本发明作详细说明。
实施例1
一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，如图1，包括控制IC模块、驱动IC模块和功率转换模块，所述驱动IC模块包括第一驱动IC1和第二驱动IC2；
所述功率转换模块包括第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；所述第一GaN功率开关管G1的源极连接输入电压Vin和输入电容Cin的上极板并和第三GaN功率开关管G3的源极连接，所述第一GaN功率开关管G1的栅极连接到第一驱动IC1低输出信号端LO1，所述第一GaN功率开关管G1的漏极连接第二GaN功率开关管G2的源极并和开关电容Cfly的上极板相连；
所述第二GaN功率开关管G2的栅极与第一驱动IC1的高输出信号端HO1连接，所述第二GaN功率开关管G2的漏极与输出电容Cout的上极板相连并与负载连接，并且第二GaN功率开关管G2的栅极作为输出电压Vout端；
所述第三GaN功率开关管G3的栅极连接到第二驱动IC2的高输出信号HO2，所述第三GaN功率开关管G3的漏极连接到开关电容Cfly的下极板并和第四GaN功率开关管G4的漏极连接；
所述第四GaN功率开关管G4的栅极连接到第二驱动IC2的低输出信号LO2，所述第四GaN功率开关管G4的源极和输入电容Cin的下极板、输出电容Cout的下极板连接。
工作原理：在本实施例中，使用了四个GaN功率开关管，分别为第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4经过上述的连接关系，组成了一个开关电容型转换器电路，其中控制IC模块用于为产生功率转换模块提供所需的时钟信号，可以使用现有技术中的多种控制IC模块；驱动IC模块用于驱动GaN功率开关管，包括第一驱动IC1和第二驱动IC2，第一驱动IC1用于驱动第一GaN功率开关管G1和第二GaN功率开关管G2，第二驱动IC2用于驱动第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；输入信号Vin经过功率转换模块的放大后做为输出信号Vout，在本方案的电路中并没有基于电感，而是使用电容替换电感作为充能元件，在开关电源的EMI抑制上有较好的优势。
实施例2
一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，如图1，包括控制IC模块、驱动IC模块和功率转换模块，所述驱动IC模块包括第一驱动IC1和第二驱动IC2；所述控制IC模块连接到第一驱动IC1的输入端口和第二驱动IC2的输入端口。
所述功率转换模块包括第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；所述功率转换模块内的第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4这四个功率开关管的源极和漏极上分别并联一个二极管，每个二极管的正极连接到功率开关管的源极，所述二极管的负极连接到同一个功率开关管的漏极。
所述第一GaN功率开关管G1的源极连接输入电压Vin和输入电容Cin的上极板并和第三GaN功率开关管G3的源极连接，所述第一GaN功率开关管G1的栅极连接到第一驱动IC1低输出信号端LO1，所述第一GaN功率开关管G1的漏极连接第二GaN功率开关管G2的源极并和开关电容Cfly的上极板相连；
所述第二GaN功率开关管G2的栅极与第一驱动IC1的高输出信号端HO1连接，所述第二GaN功率开关管G2的漏极与输出电容Cout的上极板相连并与负载连接，并且第二GaN功率开关管G2的栅极作为输出电压Vout端；
所述第三GaN功率开关管G3的栅极连接到第二驱动IC2的高输出信号HO2，所述第三GaN功率开关管G3的漏极连接到开关电容Cfly的下极板并和第四GaN功率开关管G4的漏极连接；
所述第四GaN功率开关管G4的栅极连接到第二驱动IC2的低输出信号LO2，所述第四GaN功率开关管G4的源极和输入电容Cin的下极板、输出电容Cout的下极板连接，所述第四GaN功率开关管G4的源极接地。
工作原理：在本实施例中，使用了四个GaN功率开关管，分别为第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4经过上述的连接关系，组成了一个开关电容型转换器电路，其中控制IC模块用于为产生功率转换模块提供所需的时钟信号，可以使用现有技术中的多种控制IC模块；驱动IC模块用于驱动GaN功率开关管，包括第一驱动IC1和第二驱动IC2，第一驱动IC1用于驱动第一GaN功率开关管G1和第二GaN功率开关管G2，第二驱动IC2用于驱动第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；输入信号Vin经过功率转换模块的放大后做为输出信号Vout，在本方案的电路中并没有基于电感，而是使用电容替换电感作为充能元件，在开关电源的EMI抑制上有较好的优势。
将如图1所示的低EMI的GaN基开关电容型转换器电路通过LTspice仿真得到如图2所示的仿真图，在输入电压为2V时，可实现3.3V稳定输出，并带载2.7A的负载；仿真还会得到如图3所示的EMI仿真图，由图可知，该电路由于未使用引入EMI的电感器，在10Hz~30MHz的传导EMI范围内，平均EMI为-138dB，在30MHz~1GHz的辐射EMI范围内，在谐波尖峰处的EMI为-108dB。可见，图1所示的电路可实现在33MHz的高频开关频率下完成2V到3.3V的升压功率转换，带载能力可达到2.7A，由于未使用电感元件，使得整体电路可获得低EMI的性能，整体电路获得了低EMI的性能。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，包括控制IC模块、驱动IC模块和功率转换模块，其特征在于：所述驱动IC模块包括第一驱动IC1和第二驱动IC2；
所述功率转换模块包括第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4；所述第一GaN功率开关管G1的源极连接输入电压Vin和输入电容Cin的上极板并和第三GaN功率开关管G3的源极连接，所述第一GaN功率开关管G1的栅极连接到第一驱动IC1低输出信号端LO1，所述第一GaN功率开关管G1的漏极连接第二GaN功率开关管G2的源极并和开关电容Cfly的上极板相连；
所述第二GaN功率开关管G2的栅极与第一驱动IC1的高输出信号端HO1连接，所述第二GaN功率开关管G2的漏极与输出电容Cout的上极板相连并与负载连接，并且第二GaN功率开关管G2的栅极作为输出电压Vout端；
所述第三GaN功率开关管G3的栅极连接到第二驱动IC2的高输出信号HO2，所述第三GaN功率开关管G3的漏极连接到开关电容Cfly的下极板并和第四GaN功率开关管G4的漏极连接；
所述第四GaN功率开关管G4的栅极连接到第二驱动IC2的低输出信号LO2，所述第四GaN功率开关管G4的源极和输入电容Cin的下极板、输出电容Cout的下极板连接。
2.根据权利要求1所述的一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，其特征在于：所述控制IC模块连接到第一驱动IC1的输入端口和第二驱动IC2的输入端口。
3.根据权利要求1所述的一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，其特征在于：所述功率转换模块内的第一GaN功率开关管G1、第二GaN功率开关管G2、第三GaN功率开关管G3和第四GaN功率开关管G4这四个功率开关管的源极和漏极上分别并联一个二极管，每个二极管的正极连接到功率开关管的源极，所述二极管的负极连接到同一个功率开关管的漏极。
4.根据权利要求1所述的一种低EMI的GaN基开关电容型转换器电路，其特征在于：所述第四GaN功率开关管G4的源极接地。
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