CN112803786B - 采用混合半导体技术的rcc电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用混合半导体技术的RCC电路，涉及开关电源领域，电路采用了LDMOS器件和GaN基HEMT器件，提高电路工作频率至数百kHz。两种类型器件采用了同一个硅衬底，三晶体管共用一个晶圆，减小体积、提升可靠性控制。电路通过第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔自动为Si基LDMOS器件Q3提供驱动信号，无须控制芯片。采用了集成式的高频电流逐周期检测方案，与自激驱动腔共用一个线圈，省去了电流检测电阻，实现了无损耗电流检测。电路还采用了积分反馈法实现原边反馈，通过在关断时间内，对第一GaN HEMT器件Q1漏极电压进行积分计算，间接获取输出电压信息，从而实现对输出电压的实时精确调控。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，具体涉及一种采用混合半导体技术的RCC电路。
背景技术
在小于75W的小功率场合，反激式变换器发展成为占市场主导地位。反激式变换器中有一个特殊的电路形式，即自激式反激变换器，也称作RCC变换器。 RCC变换器通过自激振荡工作，频率不固定，器件的参数及电路的杂散参数对其影响很大，且开关器件工作于准饱和状态，对电路的可靠性挑战很大。随着集成电路的高速发展，RCC变换器慢慢的被边缘化，通常RCC变换器仅用于25W甚至15W以下的低成本应用场合，一直以来难以突破。
另一方面，器件的发展一直制约着开关电源电路的演变，随着LDMOS（具有横向双扩散结构的MOS器件）和GaN HEMT器件（氮化镓基高电子迁移率晶体管）的出现，开关电源电路出现新的发展突破口。由于GaN/AlGaN材料的高带隙和大导带差，使得GaN HEMT器件比常规硅基MOS器件能够承担更高的工作高压，导通损耗小，工作频率高，耐温稳定性好等，而LDMOS也具备耐压高、耐温特性好、频率高等优势，均特别适合用来提高RCC变换器的工作可靠性，扩展RCC变换器的功率水平，使RCC电路重新燃起希望。但是，GaN HEMT器件的阈值电压比常规硅基MOS器件低，仅1.0-1.5V左右，栅电压耐受也仅7V左右，再加上器件的高频工作特性，器件工作的dv/dt和di/dt大大增加，因而，器件的驱动需要重新设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用混合半导体技术的RCC电路，主体部分与传统RCC电路完全相同，但是在反馈方式、无损电流检测方式、主功率管驱动方式、斜率补偿方式上均有创新，提升了RCC电路的工作频率，扩展了电路的应用功率等级，同时也针对GaN HEMT和LDMOS器件提出了全新的自激驱动方案，不需要额外的驱动芯片；同时具有高频电流探测实现无损耗和小环路、在原边直接控制副边输出电压的稳定、占空比由0.4扩大到0.55、工作频率由100kHz扩展至数百kHz 以及成本低、尺寸小等优点。
一种采用混合半导体技术的RCC电路，包括第一GaN HEMT器件Q1、第二GaN HEMT器件Q2、Si基LDMOS器件Q3、功率电路主变压器和自激驱动与逐周期检测电路，所述Si基LDMOS器件Q3的漏极连接第一GaN HEMT器件Q1的源极，并且Si基LDMOS器件Q3的源极接地，所述第二GaN HEMT器件Q2的漏极连接至Si基LDMOS器件Q3的栅极而第二GaN HEMT器件Q2的源极也接地；
所述第一GaN HEMT器件Q1的开关控制采用源极驱动方案，通过控制与之串联的Si基LDMOS器件Q3的开、关间接控制第一GaN HEMT器件Q1的开、关，所述Si基LDMOS器件Q3的驱动信号由功率电路主变压器的第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔提供，所述自激驱动与逐周期检测电路由集成式的高频电流逐周期检测电路与自激驱动腔共用一个线圈构成，并与VCC电压源连接。
优选的，所述Si基LDMOS器件Q3上连接有高压启动电阻，阻值为680kΩ-3MΩ，且Si基LDMOS器件Q3栅极上还连接有第一保护稳压管Dz1。
优选的，所述Si基LDMOS器件Q3的驱动由第三辅助线圈Na经由隔直电容C1和正反馈电阻R1提供。
优选的，所述第一GaN HEMT器件Q1、第二GaN HEMT器件Q2和Si基LDMOS器件Q3共用一个晶圆，且第一GaN HEMT器件Q1和第二GaN HEMT器件Q2采用同一个硅衬底。
优选的，所述第一GaN HEMT器件Q1采用耗尽型器件，阈值电压< 1V，所述第二GaNHEMT器件Q2采用增强型器件，阈值电压范围在1-1.5V。
优选的，所述VCC电压源第一级形成环路由第三辅助线圈Na、第二电容C2和第三二极管D3构成，所述VCC电压源第二级形成环路由第二电容C2、第四二极管D4和第三电容C3构成。
优选的，所述Si基LDMOS器件Q3的栅极驱动信号通过第二稳压管Dz2、第三电阻R3和第四电阻R4传递给第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
优选的，所述功率电路主变压器的副边输出电压经由隔离反馈网络，通过第八电阻R8送到第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
优选的，所述功率电路主变压器的副边输出电压无需经由隔离反馈网络，通过第三稳压管Dz3、第六电阻R6、第五电容C5和第七电阻R7将第一GaN HEMT器件Q1的漏极电压在关断时刻内的电压通过积分法检测出来，再通过第八电阻R8送到第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
本发明的优点在于：
1、通过双GaN HEMT+LDMOS器件片上结构设计，且均采用Si衬底，使工艺实现难度下降；
2、GaN HEMT耗尽型主功率管与LDMOS串联，降低了GaN HEMT器件的驱动难度，避免了GaN HEMT器件栅极耐压低、阈值电压小、驱动电流大的缺点，并能够提升电路的工作频率至数百kHz；
3、通过第三辅助线圈实现功率开关管的自激驱动，同时，完全通过分立元件实现电路的闭环控制功能，无须第三方驱动芯片，使电路成本下降至少20%；
4、通过第三辅助线圈复用高频逐周期电流检测的功能，实现电流无损耗探测，使电路效率至少提升0.2%，更重要地是减小了PCB布局时的环路面积，从而降低高频噪声；
5、采用积分反馈法实现原边反馈，无须副边隔离反馈，即可稳定输出电压；
6、由栅极驱动引入斜率补偿将占空比由0.4扩大到0.55。
附图说明
图1为本发明的电路原理示意图；
图2为本发明实施方案一的具体电路原理示意图；
图3为本发明实施方案二的具体电路原理示意图；
图4为传统芯片+硅基MOSFET+Flyback电路示意图；
图5为传统Si基双极型晶体管+RCC电路示意图；
图6为传统Si基MOSFET+RCC电路。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-3所示，一种采用混合半导体技术的RCC电路，包括第一GaN HEMT器件Q1、第二GaN HEMT器件Q2、Si基LDMOS器件Q3、功率电路主变压器和自激驱动与逐周期检测电路，所述Si基LDMOS器件Q3的漏极连接第一GaN HEMT器件Q1的源极，并且Si基LDMOS器件Q3的源极接地，所述第二GaN HEMT器件Q2的漏极连接至Si基LDMOS器件Q3的栅极而第二GaN HEMT器件Q2的源极也接地；
所述第一GaN HEMT器件Q1的开关控制采用源极驱动方案，通过控制与之串联的Si基LDMOS器件Q3的开、关间接控制第一GaN HEMT器件Q1的开、关，所述Si基LDMOS器件Q3的驱动信号由功率电路主变压器的第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔提供，所述自激驱动与逐周期检测电路由集成式的高频电流逐周期检测电路与自激驱动腔共用一个线圈构成，并与VCC电压源连接。
所述Si基LDMOS器件Q3上连接有高压启动电阻，阻值为680kΩ-3MΩ，且Si基LDMOS器件Q3栅极上还连接有第一保护稳压管Dz1。
所述Si基LDMOS器件Q3的驱动由第三辅助线圈Na经由隔直电容C1和正反馈电阻R1提供。
所述第一GaN HEMT器件Q1、第二GaN HEMT器件Q2和Si基LDMOS器件Q3共用一个晶圆，且第一GaN HEMT器件Q1和第二GaN HEMT器件Q2采用同一个硅衬底。
所述第一GaN HEMT器件Q1采用耗尽型器件，阈值电压< 1V，所述第二GaN HEMT器件Q2采用增强型器件，阈值电压范围在1-1.5V。
所述VCC电压源第一级形成环路由第三辅助线圈Na、第二电容C2和第三二极管D3构成，所述VCC电压源第二级形成环路由第二电容C2、第四二极管D4和第三电容C3构成。
所述Si基LDMOS器件Q3的栅极驱动信号通过第二稳压管Dz2、第三电阻R3和第四电阻R4传递给第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
所述功率电路主变压器的副边输出电压经由隔离反馈网络，通过第八电阻R8送到第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
所述功率电路主变压器的副边输出电压无需经由隔离反馈网络，通过第三稳压管Dz3、第六电阻R6、第五电容C5和第七电阻R7将第一GaN HEMT器件Q1的漏极电压在关断时刻内的电压通过积分法检测出来，再通过第八电阻R8送到第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
具体实施方式及原理：
如图4所示，在反激式（Flyback）应用电路中，目前采用芯片来控制的方式占主导地位。该电路中，场效应晶体管（MOSFET）作为主开关管，场效应晶体管（MOSFET）的工作占空比由集成控制芯片来控制。控制芯片主要采集通过场效应晶体管（MOSFET）的逐周期电流信号（CS）以及由副边输出产生的电压反馈信号（FB），通过辅助绕组提供VCC供电，输出驱动信号（DRV）控制场效应晶体管（MOSFET）的占空比。芯片的控制方式有很多种，产生连续工作方式（CCM）、断续工作方式（DCM）、准谐振工作方式（QR）和混合式工作方式等等。但是，突出的问题是集成芯片的成本较高。
如图5所示，在10W以下、小电流输出的反激式（Flyback）应用电路中，有很多采用RCC（自激式反激变换器）电路。该电路中，双极型晶体管（BJT）Q1作为主开关管，Q1的驱动和工作占空比均由外围电路来控制，不需要控制芯片，大大节约成本。Q1首先通过母线电压经由Rsta限流驱动启动，Q1启动后，流经Q1的电流由于变压器原边电感Np的作用而线性上升，同时辅助绕组Na通过限流电阻R1和隔直电容C1为Q1提供持续的驱动。当流经Q1的电流增大到使Rs上的电压触发Q2导通，Q2将Q1的基极驱动信号拉低，使Q1终止开通，转入关断状态。同时，由副边输出产生的电压反馈信号（FB）也叠加影响Q2的基极电平，从而影响Q1关断的时序。Q1关断后，辅助绕组Na的电平也发生翻转，通过C1和R1快速抽离Q1基极电荷，使Q1加速关断。直到输出电流下降到0时之后，D2由于没有电流流过，使得Ns线圈与输出自动解耦合，原边电感Np与Q1的输出结电容发生谐振，当Np的电平发生翻转时，也即Na的电平再次发生翻转，通过R1和C1触发Q1再次自动导通。该电路工作于准谐振模式，实现了零电流软开关，工作效率较高，缺点是采用BJT的Q1功率能力较低，不适用于较大功率的场合。
如图6所示，该方案与图5所示方案非常相似，仅用MOS管替代了BJT晶体管，利用MOS管功率大、频率高等特点扩展了电路的功率等级，使其使用于10W以上甚至高达50W的应用场合。另外，MOS管相较于BJT管，没有二次击穿的问题，其可靠性也得到大幅度的提升。
如图1所示，本发明采用了新型的LDMOS器件（具有横向双扩散结构的MOS器件）和GaN基HEMT（高电子迁移率晶体管）器件，提高电路工作频率至数百kHz。两种类型器件采用了同一个硅衬底，三晶体管共用一个晶圆，减小体积、降低成本、提升可靠性控制。第一GANHEMT器件Q1的开、关控制采用源极驱动方案，通过控制与之串联的SI基LDMOS器件Q3的开、关间接控制第一GAN HEMT器件Q1的开、关。电路通过功率电路主变压器中的第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔自动为SI基LDMOS器件Q3提供驱动信号，无须控制芯片。电路进一步采用了集成式的高频电流逐周期检测方案，与自激驱动腔共用一个线圈，省去了电流检测电阻，实现了无损耗电流检测。电路还采用了积分反馈法实现原边反馈，通过在关断时间内，对第一GAN HEMT器件Q1漏极电压进行积分计算，间接获取输出电压信息，从而实现对输出电压的实时精确调控。
更具体的实施方案如图2所示，该方案中的第一GAN HEMT器件Q1、第二GAN HEMT器件Q2均采用GaN HEMT器件，SI基LDMOS器件Q3采用Si基LDMOS器件。第一GAN HEMT器件Q1和SI基LDMOS器件Q3串联，即SI基LDMOS器件Q3的漏极连接第一GAN HEMT器件Q1的源极，SI基LDMOS器件Q3的源极接地；第二GAN HEMT器件Q2的漏极连接至SI基LDMOS器件Q3的栅极而源极也接地。GaN HEMT器件与LDMOS器件均采用Si衬底，实现片上集成式设计。另外，第一GANHEMT器件Q1采用耗尽型器件，阈值电压< -1V，而第二GAN HEMT器件Q2采用增强型器件，阈值电压范围在1-1.5V。第一GAN HEMT器件Q1和SI基LDMOS器件Q3的串联工作原理与传统的Cascade结构相同。SI基LDMOS器件Q3的驱动由第三辅助线圈Na经由隔直电容C1和正反馈电阻R1提供。第三辅助线圈Na、第二电容C2和第三二极管D3构成VCC电压第一级形成环路，第二电容C2、第四二极管D4和第三电容C3构成VCC电压第二级形成环路。其中第二电容C2的容值远小于第三电容C3的容值，第二电容C2上的电压经由第二电阻R2充放电调节，使其电压波动较大。第二电容C2上的电压波动反映了第三辅助线圈Na的电流大小，也即反映了主线圈Np和晶体管第一GAN HEMT器件Q1、SI基LDMOS器件Q3的电流大小。因此，将第二电容C2上的电压经由第五电阻R5、第六电容C6送到第二GAN HEMT器件Q2的栅极，即可实现对流经第一GAN HEMT器件Q1、SI基LDMOS器件Q3峰值电流反馈的作用，第六电容C6的作用是将直流成份隔离，只把第二电容C2上电压的交变部分反馈给第二GAN HEMT器件Q2的栅极。第二稳压管Dz2、第三电阻R3和第四电阻R4把SI基LDMOS器件Q3的栅极驱动信号传递给第二GAN HEMT器件Q2的栅极，从而实现了斜率补偿作用，扩展变换器的占空比范围，避免子谐波振荡。副边输出电压经由隔离反馈网络，通常采用三端稳压器加光耦的反馈方式，通过第八电阻R8送到第二GAN HEMT器件Q2的栅极。也即第二GAN HEMT器件Q2的栅极包含了输出电压反馈信息、第一GAN HEMT器件Q1、SI基LDMOS器件Q3的峰值电流信息和斜率补偿信息，从而能够实现电流内环、电压外环和子谐波消除三大功能，同时满足输出稳压、过功率保护、扩展最大占空比的功效。
另一具体的实施方案如图3所示，主体部分与图2所示方案相同，区别在于副边输出电压无须经由隔离反馈网络，通过通过第三稳压管Dz3、第六电阻R6、第五电容C5和第七电阻R7将器件第一GAN HEMT器件Q1漏极电压在关断时刻内的电压通过积分法检测出来。Dz3使得该电路只在器件关断时才会进行检测，第六电阻R6和第七电阻R7是对漏极电压进行降压，第五电容C5进行积分，然后把第一GAN HEMT器件Q1在关断时的漏极电压信息通过第八电阻R8送到第二GAN HEMT器件Q2的栅极。由于第一GAN HEMT器件Q1在关断时的漏极电压等于输入电压与n倍的输出电压之和（n为主功率变压器原副边匝数之比，即Np/Ns，是固定的数值），因而第一GAN HEMT器件Q1在关断时的漏极电压，也即第二GAN HEMT器件Q2的栅极包含了输出电压反馈信息，问题是，此时还不能把输入电压信息剥离出去。由于输入电压越高，电路的工作占空比越小，进一步地，电路通过R9将输入电压反馈给第二GAN HEMT器件Q2的栅极，实现将输入电压信息剥离的作用。因而，第二GAN HEMT器件Q2的栅极包含了输出电压反馈信息、第一GAN HEMT器件Q1、SI基LDMOS器件Q3的峰值电流信息和斜率补偿信息，从而能够实现电流内环、电压外环和子谐波消除三大功能，同时满足输出稳压、过功率保护、扩展最大占空比的功效。
基于上述，本发明主体部分与传统RCC电路完全相同，但是在反馈方式、无损电流检测方式、主功率管驱动方式、斜率补偿方式上均有创新，提升了RCC电路的工作频率，扩展了电路的应用功率等级，同时也针对GaN HEMT和LDMOS器件提出了全新的自激驱动方案，不需要额外的驱动芯片；同时具有高频电流探测实现无损耗和小环路、在原边直接控制副边输出电压的稳定、占空比由0.4扩大到0.55、工作频率由100kHz扩展至数百kHz 以及成本低、尺寸小等优点。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于，包括第一GaN HEMT器件Q1、第二GaN HEMT器件Q2、Si基LDMOS器件Q3、功率电路主变压器和自激驱动与逐周期检测电路，所述Si基LDMOS器件Q3的漏极连接第一GaN HEMT器件Q1的源极，并且Si基LDMOS器件Q3的源极接地，所述第二GaN HEMT器件Q2的漏极连接至Si基LDMOS器件Q3的栅极而第二GaN HEMT器件Q2的源极也接地；
所述第一GaN HEMT器件Q1的开关控制采用源极驱动方案，通过控制与之串联的Si基LDMOS器件Q3的开、关间接控制第一GaN HEMT器件Q1的开、关，所述Si基LDMOS器件Q3的驱动信号由功率电路主变压器的第三辅助绕组Na，采用正反馈模式的自激驱动腔提供，所述自激驱动与逐周期检测电路由集成式的高频电流逐周期检测电路与自激驱动腔共用一个线圈构成，并与VCC电压源连接；
所述VCC电压源第一级形成环路由第三辅助线圈Na、第二电容C2和第三二极管D3构成，所述VCC电压源第二级形成环路由第二电容C2、第四二极管D4和第三电容C3构成。
2.根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述Si基LDMOS器件Q3上连接有高压启动电阻，阻值为680kΩ-3MΩ，且Si基LDMOS器件Q3栅极上还连接有第一保护稳压管Dz1。
3.根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述Si基LDMOS器件Q3的驱动由第三辅助线圈Na经由隔直电容C1和正反馈电阻R1提供。
4. 根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述第一GaN HEMT器件Q1、第二GaN HEMT器件Q2和Si基LDMOS器件Q3共用一个晶圆，且第一GaN HEMT器件Q1和第二GaN HEMT器件Q2采用同一个硅衬底。
5. 根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述第一GaN HEMT器件Q1采用耗尽型器件，阈值电压< 1V，所述第二GaN HEMT器件Q2采用增强型器件，阈值电压范围在1-1.5V。
6. 根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述Si基LDMOS器件Q3的栅极驱动信号通过第二稳压管Dz2、第三电阻R3和第一电阻R1传递给第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
7. 根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述功率电路主变压器的副边输出电压经由隔离反馈网络，通过第八电阻R8送到第二GaN HEMT器件Q2的栅极。
8. 根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述功率电路主变压器的副边输出电压无需经由隔离反馈网络，将第一GaN HEMT器件Q1的漏极通过第三稳压管Dz3、第六电阻R6和第五电容C5与VCC电压源连接，所述第五电容C5上并联有第七电阻R7；
且第一GaN HEMT器件Q1的漏极通过第三稳压管Dz3、第六电阻R6和第八电阻R8与第二GaN HEMT器件Q2的栅极连接。
9. 根据权利要求1所述的一种采用混合半导体技术的RCC电路，其特征在于：所述第一GaN HEMT器件Q1和第二GaN HEMT器件Q2采用集成式反向并联二极管结构。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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