CN211405872U - 一种基于GaN功率器件的整流系统 - Google Patents

一种基于GaN功率器件的整流系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于GaN功率器件的整流系统，包括APFC模块、逆变模块、磁集成模块、整流模块、电压闭环模块和控制模块，APFC模块的输入端与市电连接，用于将市电电压转换为低纹波400V直流电；逆变模块的输入端与APFC模块的输出端电连接，用于将APFC模块输出的直流400V转换为交流400V；磁集成模块输入端与逆变模块输出端电连接，用于将交流400V转换为交流48V；整流模块输入端与磁集成模块输出端电连接，用于将交流48V转换为直流48V；电压闭环模块与整流模块输出端电连接，用于稳定系统输出电压为直流48V，以此符合变换器高效化、高频化、小型化的发展趋势并将系统更好的应用于大数据中心服务器、直流电机、通信电源。

Description

一种基于GaN功率器件的整流系统
技术领域
本发明涉及功率半导体器件使用领域，尤其涉及一种基于GaN功率器件的整流系统。
背景技术
整流变换器是电力电子变换器的组成部分，在交直流系统、航空电源系统等方面应用广泛。目前，整流变换器正在朝着高效率、高功率密度、小体积和轻重量的方向发展。随着开关频率的提高，功率器件的损耗也随之加大。
当今整流变换器的高频小型化和高效化一直是困扰工程师的难点，小型化必定对应高频化但现有的变换器大多用Si器件所能承受的频率比较有限，所以普通Si器件限制了整流变换器高频小型化的发展而且 Si器件的开关速率有限使得器件本身开通关断损耗变大进而使整流变换器的效率目前也达到瓶颈，即用普通Si器件很难使效率提高。
发明内容
本发明提供一种基于GaN功率器件的整流系统，用来解决目前其他整流系统频率低、效率低、重量大、功率密度低等问题。
该基于GaN功率器件的整流系统包括：APFC模块、逆变模块、磁集成模块、整流模块、电压闭环模块和控制模块；
所述APFC模块的输入端与市电连接，用于将市电电压转换为第一直流电压V1；
所述逆变模块的输入端与所述APFC模块的输出端电连接，用于将所述APFC模块输出的第一直流电压V1转换为第一交流电压V2；
所述磁集成模块输入端与所述逆变模块输出端电连接，用于将所述第一交流电压V2转换为第二交流电压V3；
所述整流模块输入端与所述磁集成模块输出端电连接，用于将所述第二交流电压V3转换为第二直流电压V4；
所述电压闭环模块与所述整流模块输出端电连接，用于稳定第二直流电压V4；
所述控制模块与所述逆变模块电连接，用于控制与所述控制模块电连接器件的参数。
优选的，所述APFC模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一变压器T1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电阻R1、和第一开关管Q1，用于把市电转化为400V直流电压，并提高系统的效率；
所述第一电容C1的第一端与所述第一变压器T1的第一端电连接，所述第一电容C1的第二端与所述第一开关管Q1的第二端电连接，所述第二电容C2的第一端与所述第一电阻R1的第二端电连接，所述第二电容C2的第二端与所述第三二极管D3的第一端电连接，所述第一变压器T1的第二端与所述第二二极管D2的第一端电连接，所述第一变压器T1的第三端与所述第一电阻R1的第一端电连接，所述第一变压器T1的第四端接地，所述第一二极管D1的第一端与所述第一变压器T1的第一端电连接，所述第一二极管D1的第二端与所述第二二极管D2的第二端电连接，所述第二电容C2的第一端与所述第一电阻R1 的第二端电连接，所述第二电容C2的第二端与所述第三二极管D3的第一端电连接，所述第三二极管D3 的第二端与所述第二电阻R2的第一端电连接，所述第一开关管Q1的第一端与所述第一变压器T1的第二端电连接，所述第一开关管Q1的第二端与所述第四电阻R4的第一端电连接，所述第一开关管Q1的第三端与所述第一控制芯片L6562D的第四端电连接。
优选的，所述APFC模块还包括第一整流桥H1，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一稳压管Z1、第五电阻R5、第一控制芯片L6562D，用于把把市电转化为低纹波400V直流电压，并进行功率因数校正提高系统的效率；
所述第一整流桥H1的输入端与市电电连接，所述第一整流桥H1的第一输出端与所述第一变压器 T1的第一端电连接，所述第一整流桥H1的第二输出端接地，所述第二电阻R2的第二端与所述第三电阻 R3的第一端电连接，所述第三电阻R3的第二端与所述第一电容C1的第一端电连接，所述第四电阻R4的第二端与所述第一控制芯片L6562D的第七端电连接，所述第一稳压管Z1的第一端接地，所述第一稳压管 Z1的第二端与所述第三二极管D3的第一端电连接，所述第五电阻R5的第一端与所述第一变压器T1的第三端电连接，所述第五电阻R5的第二端与所述第一控制芯片L6562D的第五端电连接，所述第一控制芯片 L6562D的第八端与所述第二电阻R2的第一端电连接。
所述逆变模块包括第三电容C3、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5，用于把400V直流电压转化为交流电压；
所述第三电容C3的第一端与所述第二开关管Q2的第一端电连接，所述第三电容C3的第二端与所述第四开关管Q4的第二端电连接，所述第二开关管Q2的第一端与所述第三开关管Q3的第一端电连接，所述第二开关管Q2的第二端与所述第四开关管Q4的第一端电连接，所述第三开关管Q3的第二端与所述第五开关管Q5的第一端电连接，所述第四开关管Q4的第二端与所述第五开关管Q5的第二端电连接。
所述磁集成模块包括第二变压器T2、第一电感L1、第二电感L2，用于把400V交流电压转化为48V 交流电压，并提高系统的功率密度，降低系统的质量；
所述第一电感L1的第一端与所述第二开关管Q2的第二端电连接，所述第一电感L1的第二端所述第二变压器T2的第一端与所述第四二极管D4的第二端电连接，所述第二变压器T2的第二端与所述第五二极管D5的第二端电连接，所述第二变压器T2的第三端与所述第三开关管Q3的第二端电连接，所述第二变压器T2的第四端与所述第二电感L2的第二端电连接，所述第二电感L2的第一端与所述第一电感L1 第二端电连接。
所述整流模块包括第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第四电容C4，用于把48V交流电转化为48V直流电；
所述第四二极管D4的第一端与所述第五二极管D5的第一端电连接，所述第四二极管D4的第二端与所述第六二极管D6的第一端电连接，所述第五二极管D5的第一端与所述第四电容C4的第一端电连接，所述第五二极管D5的第二端与所述第七二极管D7的第一端电连接，所述第六二极管D6的第二端与所述第七二极管D7的第二端电连接，所述第七二极管D7的第二端与所述第四电容C4的第二端电连接。
所述电压闭环模块包括第一PID调节器、第一放大器B1、第一受控电流源A1、第六开关管Q6、第五电容C5、第一比较器、第二比较器、第一RS锁存器S1、第一D触发器D1、第一与模块、第二与模块，用于使系统稳定输出48V直流电；
所述第一PID调节器的第一端与采样获得的误差模块电连接，所述第一PID调节器的第二端与所述第一放大器B1的第二端电连接，所述第一放大器B1的第一端与所述第一受控电流源A1的第一端电连接，所述第一受控电流源A1的第二端与所述第六开关管Q6的第二端电连接，所述第一受控电流源A1的第三端与所述第六开关管Q6的第一端电连接，所述第六开关管Q6的第一端与所述第五电容C5第一端电连接，所述第六开关管Q6的第二端与所述第五电容C5第二端电连接，所述第六开关管Q6的第三端与所述第一 RS锁存器S1的第四端电连接，所述第五电容C5的第一、二端分别与所述第一、第二比较器的第二、一端电连接，所述第一、二比较器的第三端与固定常数脉冲发生器电连接，所述第一、二比较器的第四端分别与所述第一RS锁存器S1的第一、二端电连接，所述第一RS锁存器S1的第三端分别与所述第一、二与模块的第二、一端电连接，所述第一RS锁存器S1的第四端与所述第一D触发器D1的第二端电连接，所述第一D触发器D1的第一端与所述第一D触发器D1的第五端电连接，所述第一D触发器D1的第三端与高电平发生器电连接，所述第一D触发器D1的第四端与所述第一与模块的第一端电连接，所述第一D 触发器D1的第五端与所述第二与模块的第二端电连接，所述第一与模块的第三、四端分别与所述第二、三开关管Q2、Q3的第三端电连接，所述第二与模块的第三、四端分别与所述第四、五开关管Q4、Q5的第三端电连接。
所述开关管为GaN功率器件。
所述控制模块采用TMS320F28335作为控制芯片。
本发明的有益效果为：本发明通过APFC模块输出的低纹波400V保证了系统的可靠性、通过APFC 模块的功率因数校正及逆变模块中高频GaN的引入提升了系统的效率及频率、通过磁集成模块及贴片GaN 的引入提高了系统的功率密度、通过电压闭环模块的引入保证了系统的稳定性，能稳定输出48V直流电。即本发明解决了目前整流变换器存在的效率低、频率低、功率密度低、可靠性低等问题。
本发明引入磁集成技术，用于进一步提高系统的功率密度、降低系统的质量，更好的符合当今变换器高频化、小型化的发展趋势。本发明通过把电感与变压器集成在一起用于降低系统的体积、提高系统的功率密度、减小系统的质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统所设计APFC的原理图；
图3是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统分立器件主电路拓扑图；
图4是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统磁集成后主电路拓扑图；
图5是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统开环拓扑结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统的电压闭环结构示意图；
图中：10是APFC模块、20是逆变模块、30是磁集成模块、40是整流模块、50是电压闭环模块、 60是控制模块。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。(现在通过结合具体实施方式以及附图的方法对本发明做出进一步解释和说明)
图1是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统的结构示意图，从图1可以看出本发明包括APFC模块10、逆变模块20、磁集成模块30、整流模块40、电压闭环模块50、控制模块60，其中 APFC模块10的输入端接市电，输出端与逆变模块20的输入端电连接，用于把市电转化为400V直流电，用于提高系统的功率因数进而提高系统的效率。逆变模块20的输出端与磁集成模块30的输入端电连接，用于把400V直流电转化为400V交流电，选用4个开关管的全桥结构用于减小各个开关管的电压应力保护系统。磁集成模块30的输出端与整流模块40的输入端电连接，用于把400V交流电转化为48V交流电，通过把电感与变压器集成在一起用于降低系统的体积、提高系统的功率密度、减小系统的质量。整流模块 40的输出端与电压闭环模块50的输入端电连接，用于把48V交流电转化为48V直流电，选用4个二极管的全桥整流结构用于减小各个二极管的电压应力保护系统。电压闭环模块50的输出端与控制模块60的输入端电连接，用于稳定输出电压为直流48V以此使系统应用于大数据中心服务器、直流电机、通信电源。控制模块60的输出端与逆变模块20的开关管第三端电连接，用于为开关管提供驱动信号使系统进行能量传递并通过与电压闭环模块50电连接对逆变模块20进行变频控制，使输出电压稳定在直流48V。
图2是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统所设计APFC的原理图，本发明的APFC 以第一控制芯片L6562D为中心展开，首先市电与第一整流桥H1电连接将市电转化为直流220V，然后经第一电容C1滤波，再分别经过第三电阻R3、第二电阻R2和第一电阻R1进行分压然后和第一变压器T1 相连，从第二电阻R2第一端引出直流电与第一控制芯片L6562D的8引脚电连接，以此来为L6562D芯片供电，进而让芯片正常运转，第一控制芯片L6562D的7号引脚其功能是为APFC模块10内部的第一开关管Q1提供驱动信号，为了其正常驱动开关管，7号引脚接R4这一开关电阻，变压器与采样电阻R5电连接然后与第一控制芯片L6562D的5号引脚电连接用于检测电感电流是否过零点，防止系统不正常工作，第一开关管Q1与采样电阻电连接然后与第一控制芯片L6562D的4引脚电连接，4引脚通过采样电流进行过电流保护，分压电阻、滤波电容与第一控制芯片L6562D的3引脚电连接，3引脚的功能为对APFC模块 10进行前馈控制，以此让其低纹波输出直流400V，进而达到设计系统的初衷。第一控制芯片L6562D从1 脚进入的取样电压，在芯片内部经误差放大器反向放大后与2脚电连接，2脚外接的RC网络，对误差放大器输出的信号进行频率补偿，使稳压控制环路工作稳定，APFC模块10输出电压经分压取样后，与1脚电连接，用于对APFC模块10输出电压的稳定控制。
APFC模块10能把市电转化为低纹波直流400V，能保证系统后续模块工作的稳定性，进而保证系统的可靠性。除此之外，APFC模块10对整个系统进行功率因数校正，进而提高整个系统的效率。
图3是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统分立器件主电路拓扑图，从图4中可以看出本发明的半导体器件采用GS66502B型号的贴片GaN开关管，用于提高系统的功率密度、减轻系统的质量、应对系统10MHZ的开关频率。
图4是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统磁集成后主电路拓扑图，磁集成模块包括第二变压器T2、第一电感L1、第二电感L2，用于把400V交流电压转化为48V交流电压，并提高系统的功率密度，降低系统的质量；
第一电感L1的第一端与第二开关管Q2的第二端电连接，第一电感L1的第二端第二变压器T2的第一端与第四二极管D2的第二端电连接，第二变压器T2的第二端与第五二极管D5的第二端电连接，第二变压器T2的第三端与第三开关管Q3的第二端电连接，第二变压器T2的第四端与第二电感L2的第二端电连接，第二电感L2的第一端与第一电感L1的第二端电连接。磁性元件(简称磁件，包括电感、变压器) 不仅是电源中重要的功能元件，实现能量储存与转换、滤波和电气隔离，同时，其体积、重量、损耗在整机中也占有相当比例。据统计，磁件的重量一般是变换器总重的30～40％，体积占总体积的20～30％，对于高频工作、模块化设计的电源，磁件体积、重量所占的比例还会更高，并成为限制模块高度的主要因素。引入磁集成技术，用于进一步提高系统的功率密度、降低系统的质量，更好的符合当今变换器高频化、小型化的发展趋势。
图5是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统开环拓扑结构示意图，从图中可以看出本系统的开环拓扑结构包括APFC模块10、逆变模块20、磁集成模块30、整流模块40，市电经过上述4 个模块后被转化为直流48V。
图6是本发明实施例提供的一种基于GaN功率器件整流系统的电压闭环结构示意图，从图中可以看出电压闭环模块50通过获得不同大小的电流来使第五电容C5的充放电时间不同进而使信号形成死区并通过第一RS锁存器S1和
第一D触发器D1的配合工作进而以改变系统频率的方式稳定系统输出电压，将此闭环结构与图6的开环拓扑结构电连接以此来稳定系统输出电压为直流48V，使系统能很好的应用于大数据中心服务器、直流电机、通信电源。
综合以上所述，本发明提供了一种基于GaN功率器件的整流系统，其利用APFC模块10、逆变模块 20、磁集成模块30、整流模块40、电压闭环模块50、控制模块60把市电转化为稳定直流48V用于大数据中心服务器、直流电机、通信电源。本发明通过APFC模块10输出的低纹波400V保证了系统的可靠性、通过APFC模块10的功率因数校正及逆变模块20中高频GaN的引入提升了系统的效率及频率、通过磁集成模块30及贴片GaN的引入提高了系统的功率密度、通过电压闭环模块50的引入保证了系统的稳定性，能稳定输出48V直流电。即本发明解决了目前整流变换器存在的效率低、频率低、功率密度低、可靠性低等问题。
最后应该说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于包括APFC模块、逆变模块、磁集成模块、整流模块、电压闭环模块和控制模块；
所述APFC模块的输入端与市电连接，用于将市电电压转换为第一直流电压；
所述逆变模块的输入端与APFC模块的输出端电连接，逆变模块用于将所述APFC模块输出的直流电压转换为第一交流电压；
所述磁集成模块输入端与逆变模块输出端电连接，磁集成模块用于将所述第一交流电压转换为第二交流电压；
所述整流模块输入端与磁集成模块输出端电连接，整流模块用于将所述第二交流电压转换为第二直流电压；
所述电压闭环模块与整流模块输出端电连接，电压闭环模块用于稳定第二直流电压；
所述APFC模块、磁集成模块、整流模块、电压闭环模块和控制模块连接；
所述控制模块与逆变模块电连接，用于控制与所述控制模块电连接器件的参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述APFC模块包括第一电容、第二电容、第一变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电阻和第一开关管；所述第一电容的第一端与第一变压器的第一端电连接，所述第一电容的第二端与第一开关管的第二端电连接，所述第一变压器的第二端与第二二极管的第一端电连接，所述第一变压器的第三端与第一电阻的第一端电连接，所述第一变压器的第四端接地，所述第一二极管的第一端与第一变压器的第一端电连接，所述第一二极管的第二端与所述第二二极管的第二端电连接，所述第二电容的第一端与所述第一电阻的第二端电连接，所述第二电容的第二端与所述第三二极管的第一端电连接，所述第三二极管的第二端与第二电阻的第一端电连接，所述第一开关管的第一端与所述第一变压器的第二端电连接，所述第一开关管的第二端与第四电阻的第一端电连接，所述第一开关管的第三端与第一控制芯片的第四端电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于所述APFC模块包括第一整流桥，第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一稳压管、第五电阻、第一控制芯片；所述第一整流桥的输入端与市电电连接，所述第一整流桥的第一输出端与所述第一变压器的第一端电连接，所述第一整流桥的第二输出端接地，所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端电连接，所述第三电阻的第二端与所述第一电容的第一端电连接，所述第四电阻的第二端与所述第一控制芯片的第七端电连接，所述第一稳压管的第一端接地，所述第一稳压管的第二端与所述第三二极管的第一端电连接，所述第五电阻的第一端与所述第一变压器的第三端电连接，述第五电阻的第二端与所述第一控制芯片的第五端电连接，所述第一控制芯片的第八端与所述第二电阻的第一端电连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述逆变模块包括第三电容、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管；所述第三电容的第一端与所述第二开关管的第一端电连接，所述第三电容的第二端与所述第四开关管的第二端电连接，所述第二开关管的第一端与所述第三开关管的第一端电连接，所述第二开关管的第二端与所述第四开关管的第一端电连接，所述第三开关管的第二端与所述第五开关管的第一端电连接，所述第四开关管的第二端与所述第五开关管的第二端电连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述磁集成模块包括第二变压器、第一电感、第二电感；所述第一电感的第一端与所述第二开关管的第二端电连接，所述第一电感的第二端所述第二变压器的第一端与第四二极管的第二端电连接，所述第二变压器的第二端与第五二极管的第二端电连接，所述第二变压器的第三端与所述第三开关管的第二端电连接，所述第二变压器的第四端与所述第二电感的第二端电连接，所述第二电感的第一端与所述第一电感第二端电连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述整流模块包括第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第四电容；所述第四二极管的第一端与所述第五二极管的第一端电连接，所述第四二极管的第二端与所述第六二极管的第一端电连接，所述第五二极管的第一端与所述第四电容的第一端电连接，所述第五二极管的第二端与所述第七二极管的第一端电连接，所述第六二极管的第二端与所述第七二极管的第二端电连接，所述第七二极管的第二端与所述第四电容的第二端电连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述电压闭环模块包括第一PID调节器、第一放大器、第一受控电流源、第六开关管、第五电容、第一比较器、第二比较器、第一RS锁存器、第一D触发器、第一与模块、第二与模块；所述第一PID调节器的第一端与采样获得的误差模块电连接，所述第一PID调节器的第二端与所述第一放大器的第二端电连接，所述第一放大器的第一端与所述第一受控电流源的第一端电连接，所述第一受控电流源的第二端与所述第六开关管的第二端电连接，所述第一受控电流源的第三端与所述第六开关管的第一端电连接，所述第六开关管的第一端与所述第五电容第一端电连接，所述第六开关管的第二端与所述第五电容第二端电连接，所述第六开关管的第三端与所述第一RS锁存器的第四端电连接，所述第五电容的第一、二端分别与所述第一、第二比较器的第二、一端电连接，所述第一、二比较器的第三端与固定常数脉冲发生器电连接，所述第一、二比较器的第四端分别与所述第一RS锁存器的第一、二端电连接，所述第一RS锁存器的第三端分别与所述第一、二与模块的第二、一端电连接，所述第一RS锁存器的第四端与所述第一D触发器的第二端电连接，所述第一D触发器的第一端与所述第一D触发器的第五端电连接，所述第一D触发器的第三端与高电平发生器电连接，所述第一D触发器的第四端与所述第一与模块的第一端电连接，所述第一D触发器的第五端与所述第二与模块的第二端电连接，所述第一与模块的第三、四端分别与所述第二、三开关管的第三端电连接，所述第二与模块的第三、四端分别与所述第四、五开关管的第三端电连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述开关管为GaN功率器件。
9.根据权利要求1所述的一种基于GaN功率器件的整流系统，其特征在于，所述控制模块采用TMS320F28335作为控制芯片。
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