CN113595410A - 一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器。所述谐振变换器包括输入整流滤波电路、GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC谐振变换器电路、隔离变压器、输出整流滤波电路、闭环控制反馈电路、有源功率因数校正控制模块以及LLC谐振控制模块；输入整流滤波电路顺次连接GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC谐振电路、隔离变压器和输出整流滤波电路，输入整流滤波电路连接AC输入，输出整流滤波电路得到DC输出；APFC控制模块和LLC谐振控制模块分别连接GaN有源功率因数校正电路和GaN半桥LLC谐振变换器电路进行控制功能配置；闭环控制反馈电路将DC输出连接至LLC谐振控制模块，实现闭环控制。本发明具有工作频率高，效率高，功率密度高的优点。

Description

一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于GaN器件的高频高效半桥 LLC谐振变换器，尤其涉及一种应用GaN器件实现MHz工作频率的半桥LLC 谐振变换器。
背景技术
目前电力电子技术广泛应用于照明系统领域、通信电源领域、家用电器领域、航空航天电源领域、新能源发电系统领域及轨道交通供电电源领域等，是电子电路及其构成的各种电力设备的动力和核心。
为了使开关电源系统具有更高的功率密度、高可靠性、低噪声和快速响应能力，必须提高电力电子电路开关频率。由于功率开关器件的开关损耗与开关频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗越大，变换器的效率也就越难提高。
传统的半导体材料逐渐无法满足发展需求。第三代新型半导体材料是以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等为代表的宽禁带半导体材料。相比于传统的第一代和第二代半导体材料，第三代半导体材料在击穿场强能力、电子饱和速率、导热率、抗辐射能力等方面优势突出，更加的适用于高压、高频的应用场合。
提高开关电源的工作开关频率可以提升系统的功率密度，减小磁性元件的体积，但带来的问题是较大的开关损耗，造成开关电源系统的发热和效率降低。因此在实现高频、高功率密度的同时保证高效率是开关电源一个重要的发展趋势。
现有的技术文献带功率因数校正的LLC谐振开关电源的设计与实现(DOI：10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.003835)中，该文献使用Si基MOSFET作为有源功率因数校正电路以及半桥LLC谐振变换器电路的主开关管，采用外置的反激式开关电源作为辅助电源为控制模块供电，谐振频率设计为100kHz。
上述技术方案存在的不足：
1、使用Si基MOSFET作为主开关管，由于MOSFET的导通电阻一般较大，会导致导通损耗增大，降低系统效率。
2、采用外置的反激式辅助电源的方式对开关电源的控制模块进行供电，意味着需要在开关电源中添加一个单独设计的电源模块，增加设计复杂度的同时，还会导致开关电源整机的体积变大。100kHz的谐振频率导致开关电源的谐振元件和储能滤波元件(包括谐振电容，谐振电感、隔离变压器以及滤波电容)的体积都较大，也会导致开关电源整机的体积变大，最终导致开关电源的功率密度无法得到有效提升。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出了一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，该变换器应用GaN器件作为开关器件，用于实现1MHz的工作频率，减小了磁性元件和输出滤波电容的体积，在保证效率的同时，提高系统的功率密度。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，包括输入整流滤波电路、GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC谐振变换器电路、隔离变压器、输出整流滤波电路、闭环控制反馈电路、有源功率因数校正(APFC) 控制模块以及LLC谐振控制模块；
输入整流滤波电路顺次连接GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC 谐振电路、隔离变压器和输出整流滤波电路，输入整流滤波电路连接AC输入，输出整流滤波电路得到DC输出；
有源功率因数校正(APFC)控制模块和LLC谐振控制模块分别连接GaN 有源功率因数校正电路和GaN半桥LLC谐振电路进行控制功能配置；
闭环控制反馈电路将DC输出连接至LLC谐振控制模块，实现闭环控制。
进一步地，输入整流滤波电路包括两个用于滤除共模干扰的共模电感，一个用于对交流输入进行整流的整流桥以及一个用于改善输入端EMI特性的π型滤波电路。
进一步地，GaN有源功率因数校正电路采用GaN器件作为开关管。
进一步地，GaN半桥LLC谐振电路中，采用两个GaN器件作为桥臂的上下管；桥臂上下管使用的GaN器件均内置片上集成驱动电路，LLC谐振控制模块的外部输出供电引脚通过两个对地滤波电容连接至GaN器件的供电引脚； LLC谐振控制模块PWM输出引脚直接连接至GaN器件的PWM输入引脚。
进一步地，GaN半桥LLC谐振电路设置的谐振频率为1MHz～2MHz；励磁电感和谐振电感的比值取值范围为4～12，满载品质因数Q取值范围为0.3～1；在上述参数设置前提下，谐振电容取值单位为nF量级，谐振电感取值单位为 uH量级，隔离变压器励磁电感取值单位为uH量级。
进一步地，隔离变压器采用EQ25骨架，PC200材质磁芯，谐振电感采用镍锌材质磁环。
进一步地，输出整流滤波电路包括全波整流电路以及滤波电路；
全波整流电路对LLC谐振变换器初级传递到次级的交流值进行整流；滤波电路与全波整流电路连接，滤波得到稳定的直流输出。
进一步地，滤波电路中的滤波电容全部采用MLCC陶瓷电容器。
进一步地，所述闭环控制反馈电路包括输出采样电路、比较电路和反馈电路；
采样电路连接输出整流滤波电路，对直流输出值进行采样；比较电路连接到采样电路输出端，将采样值与预设的基准值进行比较；反馈电路连接到比较电路输出端，根据比较电路输出端值的变化产生反馈信号，并连接到LLC谐振控制模块的反馈控制引脚。
进一步地，还包括高压启动辅助电源供电电路和辅助绕组供电电路；
高压启动辅助电源供电电路直接连接至前级交流输入，在谐振变换器工作到达稳态前给有源功率因数校正(APFC)控制模块和LLC谐振控制模块供电，谐振变换器工作到达稳态后辅助绕组供电电路开始对有源功率因数校正 (APFC)控制模块和LLC谐振控制模块供电。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
采用GaN器件作为开关管，采用PC200材质磁芯设计变压器，镍锌磁材设计谐振电感，GaN器件、PC200材质磁芯以及镍锌磁材在1MHz的损耗特性以及合理的谐振元件参数设计使得谐振变换器工作在1MHz频率下具有90％以上的效率，从而实现高频、高效以及高功率密度，可以广泛应用于电源模块中。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器的总体电路结构框图。
图2为本发明实施例中输入整流滤波电路和有源功率因数校正电路连接示意图。
图3本发明实施例中π型滤波电路图。
图4为本发明实施例中LLC谐振变换器电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，如图1所示，包括输入整流滤波电路、GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC谐振电路、隔离变压器T1、输出整流滤波电路、闭环控制反馈电路、APFC控制模块以及 LLC谐振控制模块；
输入整流滤波电路顺次连接GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC 谐振电路、隔离变压器T1和输出整流滤波电路，输入整流滤波电路连接AC 输入，输出整流滤波电路得到DC输出；
有源功率因数校正(APFC)控制模块和LLC谐振控制模块分别连接GaN 有源功率因数校正电路和GaN半桥LLC谐振电路进行控制功能配置；
闭环控制反馈电路将DC输出连接至LLC谐振控制模块，实现闭环控制。
如图2所示，本实施例中，输入整流滤波电路包括用于滤除共模干扰的第一共模电感L1和第二共模电感L2，用于滤除差模干扰的第一X电容X1和第二X电容X2，一个用于对交流输入进行整流的整流桥D1以及一个用于改善输入端EMI特性的π型滤波电路。
如图3所示，本实施例中，所述π型滤波电路为电容-电感-电容(CLC) 形式的π型滤波电路，包括第一滤波电容C1、第一滤波电感L3和第二滤波电容C2；第一滤波电容C1和第二滤波电容C2为GaN有源功率因数校正电路中的高频谐波分量提供对地回路，滤除输入电压中的高次谐波。第一滤波电感 L3也起到抑制输入中的高频分量的作用。如图2所示，有源功率因数校正电路与π型滤波电路连接。
GaN有源功率因数校正电路采用GaN器件作为开关管，具有比MOSFET 更低的导通电阻，降低有源功率因数校正部分的开关损耗，提升系统效率；GaN 有源功率因数校正电路利用储能电感和GaN器件完成对输入信号的功率因数校正，该电路能够修正输入端电流与电压的相位差，有效减小交流市电输入因为电流电压相位差导致的额外损耗。
GaN半桥LLC谐振电路中，采用两个GaN器件作为桥臂的上下管；如图 4所示，GaN半桥LLC谐振电路包括两个GaN器件，三个MLCC电容并联组成的谐振电容，一个与由两个GaN器件形成的桥臂中点连接的谐振电感和一个隔离变压器T1，隔离变压器T1与谐振电感的另一端连接，隔离变压器T1 另一端与谐振电容连接，并且谐振电容与桥臂下管对地连接，形成闭合的谐振回路，利用谐振原理进行能量传递和转化，实现GaN器件的ZVS和整流部分电路的ZCS，有效的减小开关功耗，提高电源效率。
如图4所示，本实施例中，桥臂上下管使用的GaN器件均内置片上集成驱动电路，其型号为纳微半导体的NV6117，通过设置外围电路参数，本实施例中，第一GaN栅极驱动开启电流设置电阻R1、第二GaN栅极驱动开启电流设置电阻R2的电阻值均设置为25Ω，第一GaN供电滤波电容C3、第二GaN 供电滤波电容C4的电容值均设置为10nF，第一GaN稳压二极管D2、第二 GaN稳压二极管D3均选择稳压值为6.2V的齐纳二极管；LLC谐振控制模块的外部输出供电引脚通过两个对地滤波电容连接至GaN器件的供电引脚；LLC 谐振控制模块PWM输出引脚直接连接至GaN器件的PWM输入引脚。
本实施例中，GaN半桥LLC谐振变换器电路设置的谐振频率为1MHz；励磁电感和谐振电感的比值为6，满载品质因数Q为0.43，谐振电容为1.2nF，谐振电感为21uH，主变压器励磁电感126uH。
本实施例中，隔离变压器T1采用EQ25骨架，TDK的PC200材质磁芯，谐振电感采用镍锌材质磁环；谐振电容为三个NP0材质陶瓷电容Cr1、Cr2和 Cr3并联，谐振电容的值设置为1.147nF，NP0材质陶瓷电容Cr1、Cr2和Cr3 的容值分别为1nF、100pF和100pF，谐振电感Lr的值设置为21uH，隔离变压器T1励磁电感Lm电感量设置为126uH。
本实施例中，隔离变压器T1包括初级绕组、辅助绕组和对地中心抽头的两个次级绕组。其中初级绕组由12匝20股0.1mm直径的漆包线组成，次级绕组由3匝40股0.1mm直径的漆包线组成，辅助绕组由1匝10股0.1mm直径的漆包线组成。初级绕组和次级绕组用于谐振变换和能量传递，辅助绕组用于对APFC控制模块和LLC谐振控制模块供电。
需要说明的是，为满足谐振变换器电路能够工作在1MHz频率下，并且能够达到90％以上的效率，上述元件的选择是具有针对性的，它们在1MHz工作频率下都具有低损耗，性能稳定的特性。
输出整流滤波电路包括全波整流电路以及滤波电路；全波整流电路对LLC 谐振变换器初级传递到次级的交流值进行整流；滤波电路与全波整流电路连接，滤波得到稳定的直流输出。
本实施例中，输出整流滤波电路中，两个快恢复二极管与隔离变压器T1 的两端连接，隔离变压器T1中心抽头接地，滤波电容与全波整流输出端连接。
本实施例中，滤波电路由8个陶瓷电容Co1～Co8并联构成，Co1和Co2 的容值为22uF，Co3～Co8的容值为47uF，所选陶瓷电容在1MHz工作频率下耐压值变化小，ESR低，滤波效果好。
所述闭环控制反馈电路包括输出采样电路、比较电路和反馈电路；
采样电路连接输出整流滤波电路，对直流输出值进行采样；比较电路连接到采样电路输出端，将采样值与预设的基准值进行比较；反馈电路连接到比较电路输出端，根据比较电路输出端值的变化产生反馈信号，并连接到LLC谐振控制模块的反馈控制引脚。
如图4所示，本实施例中，闭环控制反馈电路包括由第一采样电阻R4、第二采样电阻R5和第三采样电阻R6组成的采样电路与滤波整流电路的输出连接，比较电路输入端与第三采样电阻R6上端连接，第三采样电阻R6另一端与输出地连接，比较电路输出端与反馈电路输入端连接，反馈电路经过光耦与LLC谐振控制模块反馈控制输入连接。
在本实施例中，第一采样电阻R4的阻值为100K，第二采样电阻R5的阻值为90K，第三采样电阻R6的阻值为10K。
谐振变换器还包括高压启动辅助电源供电电路和辅助绕组供电电路；
本实施例中，所述APFC控制模块和LLC谐振控制模块包括两种供电模式，在电源输出未稳定前，APFC控制模块和LLC谐振控制模块利用辅助电源直接从输入交流部分取电工作，此时供电模式为高压启动模式，输出稳定后，切换至辅助绕组供电模式，利用隔离变压器T1辅助绕组输出的电压，在经过第一辅助绕组半波整流二极管D4整流，第一辅助绕组限流电阻R3限流，第一辅助绕组滤波电容C3滤波后，输出稳定的直流电压为APFC控制模块和LLC 谐振控制模块供电，以保证电路正常工作。
综上所述，本发明的一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，具有以下有益效果：通过本发明提供的LLC谐振变换器，可实现1MHz的开关频率，减小了磁性元件和输出滤波电容的体积，功率密度得到有效的提高。配合前级GaN有源功率因数校正电路，可实现100VAC～250VAC到50VDC的 AC-DC转换，2A电流输出，100W输出功率，效率高达90％以上。
上述实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本发明领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，包括输入整流滤波电路、GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC谐振变换器电路、隔离变压器、输出整流滤波电路、闭环控制反馈电路、有源功率因数校正控制模块以及LLC谐振控制模块；
输入整流滤波电路顺次连接GaN有源功率因数校正电路、GaN半桥LLC谐振电路、隔离变压器和输出整流滤波电路，输入整流滤波电路连接AC输入，输出整流滤波电路得到DC输出；
APFC控制模块和LLC谐振控制模块分别连接GaN有源功率因数校正电路和GaN半桥LLC谐振变换器电路进行控制功能配置；
闭环控制反馈电路将DC输出连接至LLC谐振控制模块，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，输入整流滤波电路包括两个用于滤除共模干扰的共模电感，一个用于对交流输入进行整流的整流桥以及一个用于改善输入端EMI特性的π型滤波电路。
3.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，GaN有源功率因数校正电路采用GaN器件作为开关管。
4.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，GaN半桥LLC谐振电路中，采用两个GaN器件作为桥臂的上下管；桥臂上下管使用的GaN器件均内置片上集成驱动电路，LLC谐振控制模块的外部输出供电引脚通过两个对地滤波电容连接至GaN器件的供电引脚；LLC谐振控制模块PWM输出引脚直接连接至GaN器件的PWM输入引脚。
5.根据权利要求4所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，GaN半桥LLC谐振电路设置的谐振频率为1MHz～2MHz；励磁电感和谐振电感的比值取值范围为4～12，满载品质因数Q取值范围为0.3～1；在上述参数设置前提下，谐振电容取值单位为pF～nF量级，谐振电感取值单位为uH量级，隔离变压器励磁电感取值单位为uH量级。
6.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，隔离变压器采用EQ25骨架，PC200材质磁芯，谐振电感采用镍锌材质磁环。
7.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，输出整流滤波电路包括全波整流电路以及滤波电路；
全波整流电路对LLC谐振变换器初级传递到次级的交流值进行整流；滤波电路与全波整流电路连接，滤波得到稳定的直流输出。
8.根据权利要求7所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，滤波电路中的滤波电容全部采用MLCC陶瓷电容器。
9.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，所述闭环控制反馈电路包括输出采样电路、比较电路和反馈电路；
采样电路连接输出整流滤波电路，对直流输出值进行采样；比较电路连接到采样电路输出端，将采样值与预设的基准值进行比较；反馈电路连接到比较电路输出端，根据比较电路输出端值的变化产生反馈信号，并连接到LLC谐振控制模块的反馈控制引脚。
10.根据权利要求1所述的基于GaN器件的高频高效半桥LLC谐振变换器，其特征在于，还包括高压启动辅助电源供电电路和辅助绕组供电电路；
高压启动辅助电源供电电路直接连接至前级交流输入，在谐振变换器工作到达稳态前给有源功率因数校正控制模块和LLC谐振控制模块供电，谐振变换器工作到达稳态后辅助绕组供电电路开始对有源功率因数校正控制模块和LLC谐振控制模块供电。
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