CN203482098U - 一种氮化镓基隔离dc-dc电源模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块，包括检测保护模块、功率传输转换模块、整流滤波模块、反馈补偿网络模块、PWM调制模块，其特征在于：功率传输转换模块中的功率开关管Q1、Q2采用的是eGANFET，整流滤波模块中的二极管D1、D2采用的是L-FER横向场控二极管，此模块采用硅基驱动芯片+eGANFET功率管的全新驱动电源设计，显著降低产品的体积，实现产品高功率密度，输出端采用自主知识产权的L-FER横向场控二极管，导通电压VF约0.2V，远低于常规的AlGaN/GaNSBD整流与续流二极管约1.3V的导通电压，可降低系统约60%的功耗，提高效率。
Description
技术领域
本实用新型属于开关电源领域，涉及一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块。
背景技术
目前市面上的电源模块产品多为NMOSFET功率管制作生产的，这类产品体积比较大，使用起来比较笨重，无法实现大电流输出，同时产品的效率不高，在高温环境下工作可靠性不高，从而效率也不高。
现有的DC-DC模块存在以下缺点：
第一、功率密度已趋于饱和。功率集成电路技术进步一直是DC-DC功率变换的驱动力，但硅基功率半导体技术经历近50年的发展已趋于成熟，该器件性能以RON,SP∞BV1.23变化规律改善，已接近理论比导通电阻率RON,SP约1mΩ·cm2、单位击穿电压30V/μm、最短导通维持时间100~200ns等本征固有参数，这导致硅DC-DC难以在MHz高频率下工作时继续保持升降压大于10:1且效率高于90%的功率变换。
第二、电源工作窗口提升空间有限。传统的DC-DC模块采用硅基功率MOSFET，随着开关频率从KHz向MHz不断提升，开关损耗同比例增加。为此，电路设计者只能采取以牺牲电路驱动能力，降低输出总功率的方法，来满足电路的总功耗，这自然压缩了电源工作窗口。
第三、常规电源模块设计较为复杂。硅电源驱动技术是建立在单向工作状态的硅PN半导体器件基础之上，因此电路设计要增添较多的异常保护功能，在时序逻辑上、电流和电压控制等方面上保证此类电源模块正常工作。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是针对背景技术的缺陷，提出一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块。氮化镓基DC-DC电源模块将主流的硅基驱动技术与最新技术的eGAN FET功率管在电源应用中集成融合，具有高输出功率、小型化的的特点，是一种新型隔离DC-DC模块。此模块提出硅基驱动芯片+eGAN FET功率管的全新驱动电源设计架构，输出端采用自主知识产权的L-FER横向场控二极管，实现高功率密度、大电流输出，以及在高效率、高温、高频条件下的可靠性应用，符合未来电源系统小型化、多功能、高集成度的、高可靠性的发展趋势。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块，包括检测保护模块、反馈补偿网络模块和PWM调制模块，检测保护模块经由滤波电路与电源相连；其特征在于：还包括功率传输转换模块和整流滤波模块，其中，功率传输转换模块包括驱动控制IC、第一功率开关管、第二功率开关管和平板变压器，所述的第一功率开关管和第二功率开关管都采用的是eGAN FET功率管，所述平板变压器具有原边绕组和副边绕组，原边绕组包括初级绕组和辅助绕组，所述电源与驱动控制IC的电源输入端相连，为其提供工作电源；驱动控制IC的低压直流信号输入端和低电平输入端分别与检测保护模块的低电平输入端和平板电压器的辅助绕组连接，而驱动控制IC的高电压输出端和低电压输出端分别连接第一、二功率开关管的栅极，所述驱动控制IC根据检测保护模块输出的低压直流信号信号和辅助绕组输出的直流低压信号，分别为第一功率开关管和第二功率开关管提供高、低驱动电压；
所述第一功率开关管的漏极与电源相连，第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极相连，并共同连接平板电压器的初级绕组的异名端，第二功率开关管的源极接地；
平板变压器的初级绕组的同名端与检测保护模块的输入端相连；
整流滤波模块包括第一整流二极管、第二整流二极管、电感和电容，所述的第一整流二极管和第二整流二极管都采用的是L-FER横向场控二极管；
第一整流二极管和第二整流二极管的输入端分别连接平板变压器的副边绕组两端，所述的第一整流二极管和第二整流二极管的输出端都与电感的一端相连，所述电感的另一端经由电容接地，且该电感的另一端与反馈补偿网络模块的输入端相连，反馈补偿网络网络输出端与PWM调制模块输入端相连，PWM调制模块的输出端与驱动控制IC的低压直流信号输入端相连，将矩形波信号送入驱动控制IC。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述的反馈补偿网络模块误差运放采用的芯片型号为LM8261。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述的L-FER横向场控二极管的导通电压约0.2V。
本实用新型采用上述方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本实用新型集成最新技术eGAN FET功率管，当处于开关频率为600KHz时，输入电压Vin/输出电压Vout为12V/1.2V时，前者驱动能力是后者的1倍且转换效率同时提高10%，实现产品高功率密度，相同工作频率和输出功率前提下，可实现产品效率提高5%~10%；
（2）本实用新型集成最新技术eGAN FET功率管，有效提升电源工作窗口空间，无论工作在低频（小于1MHZ）或高频（大于1MHZ）下，均能时有效提升转换效率和功率密度，可实现NMOSFET功率管不能实现的大电流输出，尤其是大于15A的电流输出；
（3）本实用新型集成最新技术eGAN FET功率管，采用硅基集成技术，减少了外围电路，显著降低产品的体积，与NMOSFET产品相比，符合产品小型化趋势；
（4）本实用新型集成最新技术eGAN FET功率管，工作于高温环境时更加可靠；
（5）本实用新型输出端采用自主知识产权的L-FER横向场控二极管，导通电压VF约0.2V，远低于常规的AlGaN/GaN SBD整流与续流二极管约1.3V的导通电压，可降低系统约60%的功耗，提高效率。
附图说明
图1是本实用新型DC-DC模块示意图；
图2是本实用新型的电路连接图；
图3是本实用新型的L-FER横向场控二极管正向特性的仿真测试图；
其中；图中左侧曲线为L-FER横向场控二极管的仿真测试曲线，右侧曲线为现有AlGaN/GaN SBD整流与续流二极管的仿真测试曲线。
图4是本实用新型采用的电源模块与现有电源模块的性能曲线对比图。
其中：实线为本实用新型电源模块的性能曲线，三条虚线为现有电源模块的性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块，如图1所示，包括检测保护模块、反馈补偿网络模块和PWM调制模块，检测保护模块经由滤波电路与电源相连；其特征在于：还包括功率传输转换模块和整流滤波模块，其中，功率传输转换模块包括驱动控制IC、第一功率开关管、第二功率开关管和平板变压器，所述的第一功率开关管和第二功率开关管都采用的是eGAN FET功率管，所述平板变压器具有原边绕组和副边绕组，原边绕组包括初级绕组和辅助绕组，所述电源与驱动控制IC的电源输入端相连，为其提供工作电源；驱动控制IC的低压直流信号输入端和低电平输入端分别与检测保护模块的低电平输入端和平板电压器的辅助绕组连接，而驱动控制IC的高电压输出端和低电压输出端分别连接第一、二功率开关管的栅极，所述驱动控制IC根据检测保护模块输出的低压直流信号信号和辅助绕组输出的直流低压信号，分别为第一功率开关管和第二功率开关管提供高、低驱动电压；
所述第一功率开关管的漏极与电源相连，第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极相连，并共同连接平板电压器的初级绕组的异名端，第二功率开关管的源极接地；
平板变压器的初级绕组的同名端与检测保护模块的输入端相连；
整流滤波模块包括第一整流二极管、第二整流二极管、电感和电容，所述的第一整流二极管和第二整流二极管都采用的是L-FER横向场控二极管；
第一整流二极管和第二整流二极管的输入端分别连接平板变压器的副边绕组两端，所述的第一整流二极管和第二整流二极管的输出端都与电感的一端相连，所述电感的另一端经由电容接地，且该电感的另一端与反馈补偿网络模块的输入端相连，反馈补偿网络网络输出端与PWM调制模块输入端相连，PWM调制模块的输出端与驱动控制IC的低压直流信号输入端相连，将矩形波信号送入驱动控制IC。
实施例采用的如图2所示的电路结构，功率传输模块包括驱动控制IC，即图2中的芯片U1、eGAN FET功率管Q1和Q2、平板变压器T2；整流滤波模块包括L-FER横向场控二极管D1和D2、电感L1、电容C3；所述反馈补偿网络模块包括误差运放U4、电阻R5、R6、R7、R4，电容C4、C5、C6，光耦U3；所述PWM调制模块包括IC内部比较器U2及IC内部PWM逻辑控制电路，其中，驱动控制IC的电源输入端与电源相连，驱动控制IC的电流采样端，即CS端与检测保护模块的电流信号输出端相连，驱动控制IC的辅助电压端与变压器辅助供电端相连，驱动控制IC的HO端和LO端分别与eGAN FET功率管Q1和eGAN FET功率管Q2的栅极相连；eGAN FET功率管Q1的漏极与电源相连，eGAN FET功率管Q1的源极和eGAN FET功率管Q2的漏极相连，并都与平板电压器T2的的AUX端相连，eGAN FET功率管Q2的源极接地，平板变压器T1的PRI端与变压器T1的信号输入端相连，平板变压器T2的两个SEC端分别与整流滤波模块的L-FER横向场控二极管D1和L-FER横向场控二极管D2的输入端相连，所述的L-FER横向场控二极管D1和L-FER横向场控二极管D2的输出端都与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端并联一个接地的电容C3，并与反馈补偿网络模块的电阻R5的一端相连，所述电阻R5的一端与电阻R6的一端相连，所述电阻R6的另一端与电容C6的一端相连，所述电容C6的另一端所述电阻R5的另一端相连后接一个接地的电阻R7，所述电阻R5的另一端同时还与误差运放U4的低电平端相连，同时与电容C4、C5的一端相连，所述电容C4的另一端与电阻R4的一端相连，所述电阻R4的另一端与电容C5的另一端相连后，接到误差运放U4的输出端，误差运放U4的高电平输入端接一个高电平，误差运放U4的信号输出端接光耦U3的信号输入端，光耦U3的高电平输入端接一个高电平，光耦U3的信号输出端接比较器U2的低电平输入端，比较器U2的高电平输入端接锯齿波信号，比较器U2的输出端接驱动控制IC的COMP端。
检测保护模块的核心元件为电流互感器T1，通过设定合理的保护阈值，当输出功率超出模块最大功率范围时，反映到驱动控制IC端电压信号超出正常值，驱动控制IC会停止内部振荡电路工作。此功能可以限制系统输入电流，保护模块因输入电流过大引起的损坏。
功率传输转换模块利用硅基芯片驱动集成最新技术的eGAN FET功率管，搭配经过优化设计的平板变压器，实现系统效率大于85%、恒压50W输出。
整流滤波模块为滤波电感L1和滤波电容C3构成的LC滤波网络，用来平滑变压器的两个SEC端输出的方波信号，使其纹波控制在50mV，由于采用自主知识产权的L-FER横向场控二极管，导通电压VF约0.2V，远低于常规的AlGaN/GaN SBD整流与续流二极管约1.3V的导通电压，可降低系统约60%的功耗，性能得到提升。
反馈补偿网络模块为电压补偿Ⅲ型补偿网络结构，采用误差运放的芯片型号为LM8261和光耦，监测输出电压信号的微小变化并反馈到PWM模块的输入端，在满足要求的带宽下，实现快速负载动态响应。
PWM调制模块将采集到的信号驱动控制IC设定好的锯齿波信号RAMP作比较和内部处理，通过改变高低侧功率开关管栅极驱动信号的占空比最终改变变压器输入端信号，调节输出电压至5V。
驱动控制IC包括驱动芯片和控制芯片，功率传输转换模块采用硅基驱动芯片驱动eGANFET功率管，整流滤波模块采用自主知识产权的L-FER横向场控二极管，图3是L-FER横向场控二极管正向特性的仿真测试图，这样做的技术优势已经在前文介绍，此模块基本技术参数如表1所示：
表1
在室温环境(Ta=25℃)，此模块输入电压偏置于18~40V时，输出电流典型可达到10A，尤其输出电流最大值为15A时，此种新型电源模块与硅基电源模块比较性能优势更加明显，效率高大约5个百分点。
本实用新型电源模块，基于半桥拓扑结构，功率开关管选用eGANFET功率管，搭配专为其设计的驱动器来驱动eGANFET功率管，且在隔离应用中，600KHZ为工作频率的极限，此频率下，滤波电感的体积可以做到最小，变压器设计采用最新技术的平板变压器，占用体积小，损耗小，因此模块的体积可以做到最小，实现高功率密度。各元件封装参考表2。
表2
电源模块的PCB版图设计及布线综合考虑了电磁兼容、热分布，采用四层设计，中间两层为GND层；对主回路导线做加宽处理；对di/dt导线缩短加宽处理；对大电流信号导线与小电流信号导线分开处理，尤其将输入电流检测端信号走线布局在中间层以减小干扰；版图中功率转换的布线尤其重要；补偿反馈模块与其他模块做隔离处理；利用ADS对PCB版图做电磁干扰分析；利用ANSYS软件对PCB版中的变压器及功率开关管做热分析。
本实用新型采用的硅基氮化镓（eGaN）场效应晶体管（FET），即eGANFET功率管，于2009年由宜普电源公司推出，因其在低功耗、击穿电压高、开关速度快、芯片尺寸小、结温高、无体二极管、可靠性高、封装性能高、热阻小等特性相比于当前硅基电源产品市场及其在高频、高温和大功率等新应用具有明显的优势。
图4为本实用新型采用的电源模块与现有电源模块的性能曲线对比图。当处于开关频率为600KHz时，输入电压Vin/输出电压Vout为12V/1.2V时，前者驱动能力是后者的1倍且转换效率同时提高10%。研究人员预见，伴随未来电子系统工作频率不断提升，eGaN FET在电压宽幅度升降变换应用中Ron，sp*QG的性能优势将进一步被放大，可同步实现减小负载和提高电源效率和功率输出。综上，基于eGaN FET的DC-DC模块符合电源小型化、多功能和高集成度的要求，可大规模推广。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
Claims (3)
1.一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块，包括检测保护模块、反馈补偿网络模块和PWM调制模块，检测保护模块经由滤波电路与电源相连；其特征在于：还包括功率传输转换模块和整流滤波模块，其中，功率传输转换模块包括驱动控制IC、第一功率开关管、第二功率开关管和平板变压器，所述的第一功率开关管和第二功率开关管都采用的是eGAN FET功率管，所述平板变压器具有原边绕组和副边绕组，原边绕组包括初级绕组和辅助绕组，所述电源与驱动控制IC的电源输入端相连，为其提供工作电源；驱动控制IC的低压直流信号输入端和低电平输入端分别与检测保护模块的低电平输入端和平板电压器的辅助绕组连接，而驱动控制IC的高电压输出端和低电压输出端分别连接第一、二功率开关管的栅极，所述驱动控制IC根据检测保护模块输出的低压直流信号信号和辅助绕组输出的直流低压信号，分别为第一功率开关管和第二功率开关管提供高、低驱动电压；
所述第一功率开关管的漏极与电源相连，第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极相连，并共同连接平板电压器的初级绕组的异名端，第二功率开关管的源极接地；
平板变压器的初级绕组的同名端与检测保护模块的输入端相连；
整流滤波模块包括第一整流二极管、第二整流二极管、电感和电容，所述的第一整流二极管和第二整流二极管都采用的是L-FER横向场控二极管；
第一整流二极管和第二整流二极管的输入端分别连接平板变压器的副边绕组两端，所述的第一整流二极管和第二整流二极管的输出端都与电感的一端相连，所述电感的另一端经由电容接地，且该电感的另一端与反馈补偿网络模块的输入端相连，反馈补偿网络网络输出端与PWM调制模块输入端相连，PWM调制模块的输出端与驱动控制IC的低压直流信号输入端相连，将矩形波信号送入驱动控制IC。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块，其特征在于：所述的反馈补偿网络模块采用LM8261。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基隔离DC-DC电源模块，其特征在于：所述的L-FER横向场控二极管的导通电压为0.2V。
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