CN210093123U - 一种氮化镓开关驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种氮化镓开关驱动电路，第一氮化镓开关漏极端子耦接于第一升压电感和第一升压二极管之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件后耦接至交流电源的第一端、以及耦接至第二回流元件后耦接至交流电源的第二端；第二氮化镓开关漏极端子耦接于第二升压电感和第二升压二极管之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件后耦接至交流电源的第一端、以及耦接至第二回流元件后耦接至交流电源的第二端，驱动电路分别耦接于第一氮化镓开关和第二氮化镓开关的栅极端子用于控制第一氮化镓开关和第二氮化镓开关的通断动作。本实用新型具有提高功率密度的效果。

Description

一种氮化镓开关驱动电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其是涉及一种氮化镓开关驱动电路。

背景技术

PFC（Power Factor Correction，功率因数校正），是指有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。其中，无桥PFC结构以其减少了整流桥，从而使得系统损耗大大降低的优点而受到广泛的关注。

目前，公布号为CN105527484A的中国专利公开了一种无桥PFC电路的电流采样装置及其控制方法，其中，无桥PFC电路为双Boost无桥电路、且其中的续流二极管被设置为相应的电路接入点；无桥PFC电路包括第一电感、至二电感，第一至四工频二极管，第一至二开关管，储能滤波电容和假负载，第一开关管的栅极、第二开关管的栅极，均为所述双Boost无桥电路的控制端。第一开关管和第二开关管均采用场效应管（Mos管）。

将上述无桥PFC电路应用在电动车的充电器中时，基于场效应管制造而成的无桥PFC电路，场效应管的开关频率有较为明显的上限，场效应管的开关频率的受限将导致充电器的功率密度无法进行提高，进而无法缩小充电器实际应用时的体积，因此存在一定的改进之处。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种氮化镓开关驱动电路，将氮化镓开关代替场效应管使用以提高开关频率。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种氮化镓开关驱动电路，包括：

串联连接的第一升压电感和第一升压二极管，第一升压电感的一端耦接至交流电源的第一端上，所述第一升压二极管的负极耦接至负载单元的一端；

串联连接的第二升压电感和第二升压二极管，第二升压电感的一端耦接至交流电源的第二端上，所述第二升压二极管的负极耦接至负载单元的一端；

两端并联连接在负载单元上的储能元件；

该无桥PFC电路还包括：

第一氮化镓开关，具有栅极端子、源极端子和漏极端子，其漏极端子耦接于第一升压电感和第一升压二极管之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件后耦接至交流电源的第一端、以及耦接至第二回流元件后耦接至交流电源的第二端；

第二氮化镓开关，具有栅极端子、源极端子和漏极端子，其漏极端子耦接于第二升压电感和第二升压二极管之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件后耦接至交流电源的第一端、以及耦接至第二回流元件后耦接至交流电源的第二端；

驱动电路，其分别耦接于第一氮化镓开关和第二氮化镓开关的栅极端子用于控制第一氮化镓开关和第二氮化镓开关的通断动作。

优选的，所述驱动电路包括：

栅极驱动器，用于生成第一驱动信号和第二驱动信号；

第一栅极驱动电路，耦接于栅极驱动器以接收第一驱动信号并响应于第一驱动信号以控制第一氮化镓开关的通断动作；

第二栅极驱动电路，耦接于栅极驱动器以接收第二驱动信号并响应于第二驱动信号以控制第二氮化镓开关的通断动作。

优选的，所述第一栅极驱动电路包括：

第一驱动电阻，其一端耦接于栅极驱动器且另一端耦接于第一氮化镓开关的栅极端子；

串联连接的第一放电电阻和第一放电二极管，第一放电电阻的一端耦接于第一驱动电阻的一端，第一放电二极管的正极耦接于第一驱动电阻的另一端。

优选的，所述第二栅极驱动电路包括：

第二驱动电阻，其一端耦接于栅极驱动器且另一端耦接于第二氮化镓开关的栅极端子；

串联连接的第二放电电阻和第二放电二极管，第二放电电阻的一端耦接于第二驱动电阻的一端，第二放电二极管的正极耦接于第二驱动电阻的另一端。

优选的，所述第一回流元件包括第一开关管，其源极分别耦接于第一氮化镓开关的源极端子、以及第二氮化镓开关的源极端子，其漏极耦接于交流电源的第一端；

所述第二回流元件包括第二开关管，其源极分别耦接于第一氮化镓开关的源极端子、以及第二氮化镓开关的源极端子，其漏极耦接于交流电源的第二端；

所述第一开关管和第二开关管的栅极上耦接有通断驱动器，该通断驱动器用于在交流电源所输出的电流过零点时输出交替输出第一通断信号、第二通断信号至第一开关管、第二开关管以控制第一开关管、第二开关管的通断动作。

优选的，所述第一开关管采用MOS管。

优选的，所述第二开关管采用MOS管。

综上所述，本实用新型的有益技术效果为：

1、本申请通过第一氮化镓开关和第二氮化镓开关代替传统无桥PFC电路中MOS开关管的使用，第一氮化镓开关和第二氮化镓开关具有三倍于MOS开关管的通断开关频率，提高开关频率后的无桥PFC电路具有提高功率密度，减少制作出产品体积的特点；

2、本申请通过第一开关管和第二开关管作为第一回流元件和第二回流元件以代替传统无桥PFC电路中第一回流二极管和第二回流二极管的使用，通过第一开关管和第二开关管相对于二极管类产品较小的导通压降，由此，有效降低该无桥PFC电路的损耗功率。

附图说明

图1为本实用新型技术方案中的无桥PFC电路的电路图；

图2为本实用新型技术方案中第一氮化镓开关的电路图；

图3为本实用新型技术方案中第二氮化镓开关的电路图；

图4为本实用新型技术方案中栅极驱动器的电路图；

图5为本实用新型技术方案中储能元件的电路图；

图6为本实用新型技术方案中第一回流元件和第二回流元件的电路图；

图7为本实用新型技术方案中通断驱动器的电路图。

附图标记：100、储能元件；200、第一氮化镓开关；300、第二氮化镓开关；400、第一回流元件；500、第二回流元件；600、驱动电路；610、栅极驱动器；620、第一栅极驱动电路；630、第二栅极驱动电路；640、第一辅助电源电路；650、第二辅助电源电路；700、通断驱动器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

如图1所示，一种氮化镓开关驱动电路，包括交流电源、第一升压电感L200、第二升压电感L201、第一升压二极管D200、第二升压二极管D203、储能元件100、第一氮化镓开关200、第二氮化镓开关300、第一回流元件400、第二回流元件500和负载单元。

本申请通过第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300代替传统无桥PFC电路中MOS开关管的使用，第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300具有三倍于MOS开关管的通断开关频率，能够突破MOS开关管固有的开关频率，因此在提高开关频率后的无桥PFC电路功率密度高，并且具有减少制作出产品体积的特点。

具体地，在一个实施例中交流电源采用市电，交流电源的第一端为火线L，交流电源的第二端为零线N。

在一个实施例中，负载单元为模拟性假负载，是替换终端在某一电路（如放大器）或电器输出端口，接收电功率的元器件、部件或装置。

第一升压电感L200和第一升压二极管D200串联连接，第一升压电感L200的一端耦接至交流电源的第一端上，第一升压电感L200的另一端耦接于第一升压二极管D200的正极，第一升压二极管D200的负极耦接至负载单元的一端。

第一氮化镓开关200具有栅极端子、源极端子和漏极端子，其漏极端子耦接于第一升压电感L200和第一升压二极管D200之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件400后耦接至交流电源的第一端，其源极端子耦接至第二回流元件500后耦接至交流电源的第二端。

第二升压电感L201和第二升压二极管D203串联连接，第二升压电感L201的一端耦接至交流电源的第二端上，第二升压电感L201的另一端耦接于第二升压二极管D203的正极，第二升压二极管D203的负极耦接至负载单元的一端。

第二氮化镓开关300具有栅极端子、源极端子和漏极端子，其漏极端子耦接于第二升压电感L201和第二升压二极管D203之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件400后耦接至交流电源的第一端，其源极端子耦接至第二回流元件500后耦接至交流电源的第二端。其中，第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300的栅极端子上均耦接有驱动电路600，驱动电路600用于控制第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300的通断动作。

结合图1和图5所示，储能元件100的两端并联连接在负载单元的两端上，负载单元的另一端还耦接至第一氮化镓开关200的源极端子和第二氮化镓开关300的源极端子上。在一个实施例中，储能元件100采用储能电容C201和/或储能电容组(EC200~EC203)。

第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300是高速切换的开关，可以在几纳秒内打开和关闭。第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300具有三倍于普通MOS开关管的通断开关频率，驱动电路600是控制第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300通断动作的电路，驱动电路600接收来自控制芯片的控制信号，进而生成用于驱使第一氮化镓开关200通断的第一驱动信号和第二氮化镓开关300通断的第二驱动信号，从而实现第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300的通断动作。来自控制芯片的控制信号可以是脉冲宽度调制信号。

以下对驱动电路600进行详细阐述。本申请中，驱动电路600包括栅极驱动器610、第一栅极驱动电路620和第二栅极驱动电路630。栅极驱动器610的电路图如图4所示，栅极驱动器610具有两个输入端（VIA、VIB）和两个输出端（VOA、VOB），栅极驱动器610的两个输入端用于接收来自控制芯片的第一控制信号和第二控制信号，栅极驱动器610基于第一控制信号和第二控制信号，生成第一驱动信号和第二驱动信号，并分别从两个输出端输出。

第一栅极驱动电路620如图2所示，第一栅极驱动电路620耦接于栅极驱动器610以接收第一驱动信号并响应于第一驱动信号以控制第一氮化镓开关200的通断动作。具体地，第一栅极驱动电路620包括第一驱动电阻R202、第一放电电阻R201和第一放电二极管D201，第一驱动电阻R202一端耦接于栅极驱动器610且另一端耦接于第一氮化镓开关200的栅极端子；第一放电电阻R201和第一放电二极管D201串联连接，第一放电电阻R201的一端耦接于第一驱动电阻R202的一端，第一放电二极管D201的正极耦接于第一驱动电阻R202的另一端。

由于第一氮化镓开关200的通断开关频率很高，为减少影响，因此上述中第一驱动电阻R202的阻值采用1欧姆，其中，第一氮化镓开关200的关断速度很快，为减少影响，第一放电电阻R201的阻值采用0欧姆。

其中，第一氮化镓开关200上还配置有使能端子，第一栅极驱动电路620上还耦接有第一辅助电源电路640，第一辅助电源电路640耦接在第一氮化镓开关200的使能端子上，第一氮化镓开关200的使能端子包括CP端口、EN端口、COM端口和AS端口。

第二栅极驱动电路630如图3所示，第二栅极驱动电路630耦接于栅极驱动器610以接收第二驱动信号并响应于第二驱动信号以控制第二氮化镓开关300的通断动作。具体地，第二栅极驱动电路630包括第二驱动电阻R211、第二放电电阻R210和第二放电二极管D204，第二驱动电阻R211一端耦接于栅极驱动器610且另一端耦接于第二氮化镓开关300的栅极端子；第二放电电阻R210和第二放电二极管D204串联连接，第二放电电阻R210的一端耦接于第二驱动电阻R211的一端，第二放电二极管D204的正极耦接于第二驱动电阻R211的另一端。

同理，由于第二氮化镓开关300的通断开关频率很高，为减少影响，因此上述中第二驱动电阻R211的阻值采用1欧姆，其中，第二氮化镓开关300的关断速度很快，为减少影响，第二放电电阻R210的阻值采用0欧姆。

其中，第二氮化镓开关300上还配置有使能端子，第二栅极驱动电路630上还耦接有第二辅助电源电路650，第二辅助电源电路650耦接在第二氮化镓开关300的使能端子上，第二氮化镓开关300的使能端子包括CP端口、EN端口、COM端口和AS端口。

应用第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300的无桥PFC电路的工作过程如下：

1、当输入的交流电源的电流为正半周期时，控制第一氮化镓开关200导通且第二氮化镓开关300截止，当第一氮化镓开关200导通时，第一升压电感L200开始充电，电流从交流电源的第一端输入，流经第一升压电感L200、第一氮化镓开关200、第二回流元件500后返回交流电源的第二端，其中，储能元件100进行供电；

2、当输入的交流电源的电流为正半周期时，控制第一氮化镓开关200截止且第二氮化镓开关300截止，当第一氮化镓开关200截止时，第一升压电感L200充电结束开始放电，电流从交流电源的第一端输入，电流从第一升压电感L200流经第一升压二极管D200进行供电，第一升压电感L200电流叠加交流电源电流进行供电，其中，储能元件100开始充电；

3、当输入的交流电源的电流为负半周期时，控制第一氮化镓开关200截止且第二氮化镓开关300导通，当第二氮化镓开关300导通时，第二升压电感L201开始充电，电流从交流电源的第二端输入，流经第二升压电感L201、第二氮化镓开关300、第一回流元件400后返回交流电源的第一端，其中，储能元件100进行供电；

4、当输入的交流电源的电流为负半周期时，控制第一氮化镓开关200截止且第二氮化镓开关300截止，当第二氮化镓开关300截止时，第二升压电感L201充电结束开始放电，电流从交流电源的第二端输入，电流从第二升压电感L201流经第二升压二极管D203进行供电，第二升压电感L201电流叠加交流电源电流进行供电，其中，储能元件100开始充电。

控制芯片能够根据储能元件100上的电压自动调节输入的第一控制信号和第二控制信号的占空比，进而控制第一氮化镓开关200和第二氮化镓开关300的开关频率，使得储能元件100上的电压稳定在一个固定值。本申请中，该无桥PFC电路能够稳定在DC380V。

实施例二

在实施例一的基础上，结合图1和图6所示，第一回流元件400包括第一开关管，第二回流元件500包括第二开关管，第一开关管采用MOS管，第二开关管采用MOS管。第一开关管和第二开关管的栅极上耦接有通断驱动器700。本申请通过第一开关管和第二开关管作为第一回流元件400和第二回流元件500以代替传统无桥PFC电路中第一回流二极管和第二回流二极管的使用，通过第一开关管和第二开关管相对于二极管类产品较小的导通压降，由此，有效降低该无桥PFC电路的损耗功率。

具体地，第一开关管的源极分别耦接于第一氮化镓开关200的源极端子、以及第二氮化镓开关300的源极端子，第一开关管的漏极耦接于交流电源的第一端。第二开关管的源极分别耦接于第一氮化镓开关200的源极端子、以及第二氮化镓开关300的源极端子，第二开关管的漏极耦接于交流电源的第二端。

通断驱动器700的电路图如图7所示，通断驱动器700用于在交流电源所输出的电流过零点时输出交替输出第一通断信号、第二通断信号至第一开关管、第二开关管以控制第一开关管、第二开关管的通断动作。

交流电源输出电流时，大小和方向都发生周期性地变化，本申请中电流输出的波形为正弦曲线，因此交流电源输出的电流在一个周期内具有正半周期和负半周期，因此，控制芯片能够对交流电所输出的电流进行检测，并在电流过零点时交替输出第一检测信号和第二检测信号。通断驱动器700接收来自控制芯片的第一检测信号和第二检测信号，并基于第一检测信号和第二检测信号交替输出第一通断信号、第二通断信号至第一开关管和第二开关管，以控制第一开关管和第二开关管交替通断。

应用第一开关管和第二开关管的无桥PFC电路的工作过程如下：

1、交流电源所输出的电流过零点，电流为正半周期时，通断驱动器700控制第一开关管截止，第二开关管导通，驱动电路600控制第一氮化镓开关200导通且第二氮化镓开关300截止，当第一氮化镓开关200导通时，第一升压电感L200开始充电，电流从交流电源的第一端输入，流经第一升压电感L200、第一氮化镓开关200、第二开关管后返回交流电源的第二端，其中，储能元件100进行供电；

2、当输入的交流电源的电压为正半周期时，驱动电路600控制第一氮化镓开关200截止且第二氮化镓开关300截止，当第一氮化镓开关200截止时，第一升压电感L200充电结束开始放电，电流从交流电源的第一端输入，电流从第一升压电感L200流经第一升压二极管D200进行供电，第一升压电感L200电流叠加交流电源电流进行供电，其中，储能元件100开始充电；

3、交流电源所输出的电流过零点，电流为负半周期时，通断驱动器700控制第一开关管导通，第二开关管截止，驱动电路600控制第一氮化镓开关200截止且第二氮化镓开关300导通，当第二氮化镓开关300导通时，第二升压电感L201开始充电，电流从交流电源的第二端输入，流经第二升压电感L201、第二氮化镓开关300、第一开关管后返回交流电源的第一端，其中，储能元件100进行供电；

4、当输入的交流电源的电压为负半周期时，驱动电路600控制第一氮化镓开关200截止且第二氮化镓开关300截止，当第二氮化镓开关300截止时，第二升压电感L201充电结束开始放电，电流从交流电源的第二端输入，电流从第二升压电感L201流经第二升压二极管D203进行供电，第二升压电感L201电流叠加交流电源电流进行供电，其中，储能元件100开始充电。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氮化镓开关驱动电路，包括：

串联连接的第一升压电感和第一升压二极管，第一升压电感的一端耦接至交流电源的第一端上，所述第一升压二极管的负极耦接至负载单元的一端；

串联连接的第二升压电感和第二升压二极管，第二升压电感的一端耦接至交流电源的第二端上，所述第二升压二极管的负极耦接至负载单元的一端；

两端并联连接在负载单元上的储能元件(100)；

其特征在于，该无桥PFC电路还包括：

第一氮化镓开关(200)，具有栅极端子、源极端子和漏极端子，其漏极端子耦接于第一升压电感和第一升压二极管之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件(400)后耦接至交流电源的第一端、以及耦接至第二回流元件(500)后耦接至交流电源的第二端；

第二氮化镓开关(300)，具有栅极端子、源极端子和漏极端子，其漏极端子耦接于第二升压电感和第二升压二极管之间的连接点上，其源极端子耦接至第一回流元件(400)后耦接至交流电源的第一端、以及耦接至第二回流元件(500)后耦接至交流电源的第二端；

驱动电路(600)，其分别耦接于第一氮化镓开关(200)和第二氮化镓开关(300)的栅极端子用于控制第一氮化镓开关(200)和第二氮化镓开关(300)的通断动作。

2.根据权利要求1所述的一种氮化镓开关驱动电路，其特征在于，所述驱动电路(600)包括：

栅极驱动器(610)，用于生成第一驱动信号和第二驱动信号；

第一栅极驱动电路(620)，耦接于栅极驱动器(610)以接收第一驱动信号并响应于第一驱动信号以控制第一氮化镓开关(200)的通断动作；

第二栅极驱动电路(630)，耦接于栅极驱动器(610)以接收第二驱动信号并响应于第二驱动信号以控制第二氮化镓开关(300)的通断动作。

3.根据权利要求2所述的一种氮化镓开关驱动电路，其特征在于，所述第一栅极驱动电路(620)包括：

第一驱动电阻，其一端耦接于栅极驱动器(610)且另一端耦接于第一氮化镓开关(200)的栅极端子；

串联连接的第一放电电阻和第一放电二极管，第一放电电阻的一端耦接于第一驱动电阻的一端，第一放电二极管的正极耦接于第一驱动电阻的另一端。

4.根据权利要求2所述的一种氮化镓开关驱动电路，其特征在于，所述第二栅极驱动电路(630)包括：

第二驱动电阻，其一端耦接于栅极驱动器(610)且另一端耦接于第二氮化镓开关(300)的栅极端子；

串联连接的第二放电电阻和第二放电二极管，第二放电电阻的一端耦接于第二驱动电阻的一端，第二放电二极管的正极耦接于第二驱动电阻的另一端。

5.根据权利要求1所述的一种氮化镓开关驱动电路，其特征在于，所述第一回流元件(400)包括第一开关管，其源极分别耦接于第一氮化镓开关(200)的源极端子、以及第二氮化镓开关(300)的源极端子，其漏极耦接于交流电源的第一端；

所述第二回流元件(500)包括第二开关管，其源极分别耦接于第一氮化镓开关(200)的源极端子、以及第二氮化镓开关(300)的源极端子，其漏极耦接于交流电源的第二端；

所述第一开关管和第二开关管的栅极上耦接有通断驱动器(700)，该通断驱动器(700)用于在交流电源所输出的电流过零点时输出交替输出第一通断信号、第二通断信号至第一开关管、第二开关管以控制第一开关管、第二开关管的通断动作。

6.根据权利要求5所述的一种氮化镓开关驱动电路，其特征在于，所述第一开关管采用MOS管。

7.根据权利要求5所述的一种氮化镓开关驱动电路，其特征在于，所述第二开关管采用MOS管。

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