CN213754346U - 一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，包括按照从AC输入到DC输出的方向依次连接的EMI滤波与整流电路模块、APFC有源功率因数校正电路模块、PWM控制电路模块、功率开关氮化镓芯片U4、开关变压器T1A、输出整流滤波电路模块，其中，APFC有源功率因数校正电路模块通过连接PFC控制电路模块实现功率因数校正，在输出整流滤波电路模块与PWM控制电路模块之间设置有用于输出电压检测反馈的电压检测反馈回路，电压检测反馈回路包括光耦合器和电压检测采样电路模块，输出整流滤波电路模块通过电压检测采样电路模块连接光耦合器，所述光耦合器连接PWM控制电路模块。本实用新型提高了驱动电源的性能并实现了驱动电源的小型化。

Description

一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路

技术领域

本实用新型涉及驱动电源技术领域，具体涉及一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路。

背景技术

在电力电子电器设备中，高效的电力转换是实现环保节能的重要手段。高效电力转换是通过高效的开关器件来实现的。目前在驱动电源电路中的开关器件普遍采用硅基功率半导体器件。但是传统的硅材料的功率器件性能己逐渐到了瓶颈，从以硅为材料的晶体管、场效应管、栅极控制的晶体管IGBT以及二极管等，再到如今日益发展的第三代宽禁带半导体材料氮化稼(GaN)为基础的开关器件，第三代氮化稼器件宽禁带半导体器件中的氮化稼功率器件相对于硅材料的MOSFET具有更小的导通阻抗，可以承受更高的开关频率。氮化稼具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、高的化学稳定性(几乎不被任何酸腐蚀)和强的抗辐照能力等性质，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

功率半导体器件是电力电子技术的基础，是电力电子设备的构成核心，其在工作过程中，有两种功率损耗：器件开关损耗和导通损耗，器件工作在高频时，主要是开启和关断损耗。器件在实际应用中，要求开启和关断必须在有限时间内完成，电压和电流在瞬间完成变化，否则会导致器件失效，并且很有可能会损害其他系统构件。因此作为开关器件，功率半导体器件必须具有开关速度快、承受电流和电压能力大及工作损耗小等特性。

因此，为了突破硅基功率半导体器件技术瓶颈，有必要开发出一种具有更低损耗、更高电源特性和小型化的驱动电源电路。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，旨在提高驱动电源的性能并实现驱动电源的小型化。具体的技术方案如下：

一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，包括按照从AC输入到DC输出的方向依次连接的EMI滤波与整流电路模块、APFC有源功率因数校正电路模块、PWM控制电路模块、功率开关氮化镓芯片U4、开关变压器T1A、输出整流滤波电路模块，其中，所述APFC有源功率因数校正电路模块通过连接PFC控制电路模块实现功率因数校正，在所述输出整流滤波电路模块与所述PWM控制电路模块之间设置有用于输出电压检测反馈的电压检测反馈回路，所述电压检测反馈回路包括光耦合器和电压检测采样电路模块，所述输出整流滤波电路模块通过所述电压检测采样电路模块连接所述光耦合器，所述光耦合器连接PWM控制电路模块。

本实用新型中，所述EMI滤波与整流电路模块包括依次连接在AC输入的火线与零线之间的可调电阻VAR1、励磁线圈LF2、电容CX1、励磁线圈LF1、串联电阻R48-R47-R60、电容CX2、贴片式整流桥BD1。

本实用新型中，所述APFC有源功率因数校正电路模块包括连接在所述贴片式整流桥BD1电压输出端的整流电压输出正极线HB+和整流电压输出负极线，所述整流电压输出正极线HB+上依次设置有带铁芯电感线圈L1、正温度系数的热敏电阻TH1、带铁芯电感线圈T2B、一对并联二极管D10，所述整流电压输出负极线上设置有电阻RS2，所述整流电压输出正极线HB+和整流电压输出负极线分别设置有电容C29和增强型N-MOS场效应管Q3，所述增强型N-MOS场效应管Q3的漏极连接所述整流电压输出正极线HB+、源极连接所述整流电压输出负极线，所述增强型N-MOS场效应管Q3的漏极与源极之间并联有电容C35。

本实用新型中，所述PFC控制电路模块包括功率因数校正控制器芯片U8，所述增强型N-MOS场效应管Q3的源极引出电阻R64与所述增强型N-MOS场效应管Q3的栅极连接后再通过串联设置的二极管D13及电阻R63连接至所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚DRV，所述串联设置的二极管D13及电阻R63的两端并联有电阻R65；所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚VCC连接所述PWM控制电路模块。

本实用新型中，所述PWM控制电路模块包括准谐振反激控制器芯片U5，所述APFC有源功率因数校正电路模块的整流电压输出正极线HB+上位于所述热敏电阻TH1与所述带铁芯电感线圈T2B之间的位置引出有一路电压供电线，所述电压供电线与所述整流电压输出正极线HB+的输出端之间连接有二极管D9，所述电压供电线通过串联电阻R6-R13连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚VH，所述开关变压器T1A上引出有一组电感线圈T1B，所述电感线圈T1B的正极端通过电阻R24和二极管D6连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Zcd/Opp，所述电感线圈T1B的正极端依次通过正向设置的二极管D5、二极管D8、三极管Q2和二极管D3分别连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Vcc和所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚Vcc，且所述二极管D5上并联有串联设置的电容C7和电阻R14，所述三极管Q2的基极通过稳压二极管ZD2连接保护地PGND，所述二极管D8的阴极与所述三极管Q2集电极之间连接有电阻R45，所述二极管D8的阳极端分别通过电容C27和C28连接保护地PGND，所述三极管Q2的发射极通过二极管D11连接至所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚VCC；所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚DRV通过电阻R23连接所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚PWM，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Cs通过电阻R26连接至所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚SS。

本实用新型中，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Fault连接有负温度系数的热敏电阻NTC1。

本实用新型中，在所述整流电压输出正极线HB+与所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚DF之间连接有开关变压器T1A的一次侧线圈，所述开关变压器T1A的二次侧线圈连接所述输出整流滤波电路模块；在所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚DF与所述整流电压输出正极线HB+之间依次连接有二极管D1、电阻R5和电容C7，且在所述电阻R5和电容C7的两端并联设置有串联电阻R1-R2。

本实用新型中，所述输出整流滤波电路模块包括同步整流控制器芯片U1、连接在所述开关变压器T1A的二次侧线圈上的直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-，所述直流电压输出负极线V-上设置有增强型N-MOS场效应管Q1，所述直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-之间依次设置有电容EC2、电容C3、电容EC3和励磁线圈LF3，所述同步整流控制器芯片U1的管脚VG与所述增强型N-MOS场效应管Q1的栅极相连接，所述同步整流控制器芯片U1的管脚VD通过电阻R10连接至所述增强型N-MOS场效应管Q1的漏极，所述增强型N-MOS场效应管Q1的漏极通过电阻R3和电容C4连接至所述增强型N-MOS场效应管Q1的源极，所述同步整流控制器芯片U1的管脚Vdd通过电阻R9与所述直流电压输出正极线V+相连接、并通过所述电阻R9连接所述电压检测采样电路模块。

本实用新型中，所述电压检测采样电路模块包括依次连接在所述直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-之间的电阻R15、电阻R20、稳压二极管U3，所述电阻R20上并连接有所述光耦合器的发光二极管U2A，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Fb通过电阻R20连接所述光耦合器的光敏三极管U2B；在所述电阻R15与电阻R20串联后的两端并联有串联设置的电阻R12、电阻R19和电容C8，所述电阻R12与所述电阻R19连接后通过导线连接至所述稳压二极管U3的公共端。

优选的，所述开关变压器为采用平面工艺制作的开关变压器。

本实用新型中，所述驱动电源电路还包括恒流控制电路模块，所述恒流控制电路模块中设置有运放芯片。

本实用新型中，所述功率因数校正控制器芯片U8采用NCP1654芯片或同类PFC控制芯片，所述准谐振反激控制器芯片U5采用NCP1342芯片或同类准谐振反激控制器芯片，所述功率开关氮化镓芯片U4采用NV6125芯片或同类功率开关氮化镓芯片，所述同步整流控制器芯片U1采用NCP4306芯片或同类同步整流控制器芯片，所述运放芯片采用LM321芯片或同类运放芯片。

本实用新型的有益效果是：

第一，本实用新型的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，具有开关速度快、承受电流和电压能力大及工作损耗小等优势。

第二，本实用新型的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，开关变压器等采用平面工艺制作，有利于实现驱动电源的小型化。

附图说明

图1是本实用新型的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路的总体原理示意图；

图2是本实用新型的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路的电路图；

图3是图1及图2中的EMI滤波与整流电路模块部分的局部放大视图；

图4是图1及图2中的APFC有源功率因数校正电路模块部分的局部放大视图；

图5是图1及图2中的PFC控制电路模块部分的局部放大视图；

图6是图1及图2中的PWM控制电路模块部分的局部放大视图；

图7是图1及图2中的功率开关氮化镓芯片U4部分的局部放大视图；

图8是图1及图2中的输出整流滤波电路模块部分及电压检测反馈回路部分的局部放大视图(其中的电压检测反馈回路部分中光耦合器的光敏三极管U2B连接在图6中的PWM控制电路模块中)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1至8所示为本实用新型的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路的实施例，包括按照从AC输入到DC输出的方向依次连接的EMI滤波与整流电路模块、APFC有源功率因数校正电路模块、PWM控制电路模块、功率开关氮化镓芯片U4、开关变压器T1A、输出整流滤波电路模块，其中，所述APFC有源功率因数校正电路模块通过连接PFC控制电路模块实现功率因数校正，在所述输出整流滤波电路模块与所述PWM控制电路模块之间设置有用于输出电压检测反馈的电压检测反馈回路，所述电压检测反馈回路包括光耦合器和电压检测采样电路模块，所述输出整流滤波电路模块通过所述电压检测采样电路模块连接所述光耦合器，所述光耦合器连接PWM控制电路模块。

本实施例中，所述EMI滤波与整流电路模块包括依次连接在AC输入的火线与零线之间的可调电阻VAR1、励磁线圈LF2、电容CX1、励磁线圈LF1、串联电阻R48-R47-R60、电容CX2、贴片式整流桥BD1。

本实施例中，所述APFC有源功率因数校正电路模块包括连接在所述贴片式整流桥BD1电压输出端的整流电压输出正极线HB+和整流电压输出负极线，所述整流电压输出正极线HB+上依次设置有带铁芯电感线圈L1、正温度系数的热敏电阻TH1、带铁芯电感线圈T2B、一对并联二极管D10，所述整流电压输出负极线上设置有电阻RS2，所述整流电压输出正极线HB+和整流电压输出负极线分别设置有电容C29和增强型N-MOS场效应管Q3，所述增强型N-MOS场效应管Q3的漏极连接所述整流电压输出正极线HB+、源极连接所述整流电压输出负极线，所述增强型N-MOS场效应管Q3的漏极与源极之间并联有电容C35。

本实施例中，所述PFC控制电路模块包括功率因数校正控制器芯片U8，所述增强型N-MOS场效应管Q3的源极引出电阻R64与所述增强型N-MOS场效应管Q3的栅极连接后再通过串联设置的二极管D13及电阻R63连接至所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚DRV，所述串联设置的二极管D13及电阻R63的两端并联有电阻R65；所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚VCC连接所述PWM控制电路模块。

本实施例中，所述PWM控制电路模块包括准谐振反激控制器芯片U5，所述APFC有源功率因数校正电路模块的整流电压输出正极线HB+上位于所述热敏电阻TH1与所述带铁芯电感线圈T2B之间的位置引出有一路电压供电线，所述电压供电线与所述整流电压输出正极线HB+的输出端之间连接有二极管D9，所述电压供电线通过串联电阻R6-R13连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚VH，所述开关变压器T1A上引出有一组电感线圈T1B，所述电感线圈T1B的正极端通过电阻R24和二极管D6连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Zcd/Opp，所述电感线圈T1B的正极端依次通过正向设置的二极管D5、二极管D8、三极管Q2和二极管D3分别连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Vcc和所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚Vcc，且所述二极管D5上并联有串联设置的电容C7和电阻R14，所述三极管Q2的基极通过稳压二极管ZD2连接保护地PGND，所述二极管D8的阴极与所述三极管Q2集电极之间连接有电阻R45，所述二极管D8的阳极端分别通过电容C27和C28连接保护地PGND，所述三极管Q2的发射极通过二极管D11连接至所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚VCC；所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚DRV通过电阻R23连接所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚PWM，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Cs通过电阻R26连接至所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚SS。

本实施例中，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Fault连接有负温度系数的热敏电阻NTC1。

本实施例中，在所述整流电压输出正极线HB+与所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚DF之间连接有开关变压器T1A的一次侧线圈，所述开关变压器T1A的二次侧线圈连接所述输出整流滤波电路模块；在所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚DF与所述整流电压输出正极线HB+之间依次连接有二极管D1、电阻R5和电容C7，且在所述电阻R5和电容C7的两端并联设置有串联电阻R1-R2。

本实施例中，所述输出整流滤波电路模块包括同步整流控制器芯片U1、连接在所述开关变压器T1A的二次侧线圈上的直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-，所述直流电压输出负极线V-上设置有增强型N-MOS场效应管Q1，所述直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-之间依次设置有电容EC2、电容C3、电容EC3和励磁线圈LF3，所述同步整流控制器芯片U1的管脚VG与所述增强型N-MOS场效应管Q1的栅极相连接，所述同步整流控制器芯片U1的管脚VD通过电阻R10连接至所述增强型N-MOS场效应管Q1的漏极，所述增强型N-MOS场效应管Q1的漏极通过电阻R3和电容C4连接至所述增强型N-MOS场效应管Q1的源极，所述同步整流控制器芯片U1的管脚Vdd通过电阻R9与所述直流电压输出正极线V+相连接、并通过所述电阻R9连接所述电压检测采样电路模块。

本实施例中，所述电压检测采样电路模块包括依次连接在所述直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-之间的电阻R15、电阻R20、稳压二极管U3，所述电阻R20上并连接有所述光耦合器的发光二极管U2A，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Fb通过电阻R20连接所述光耦合器的光敏三极管U2B；在所述电阻R15与电阻R20串联后的两端并联有串联设置的电阻R12、电阻R19和电容C8，所述电阻R12与所述电阻R19连接后通过导线连接至所述稳压二极管U3的公共端。

优选的，所述开关变压器为采用平面工艺制作的开关变压器。

本实施例中，所述驱动电源电路还包括恒流控制电路模块，所述恒流控制电路模块中设置有运放芯片。

本实施例中，所述功率因数校正控制器芯片U8采用NCP1654芯片或同类PFC控制芯片，所述准谐振反激控制器芯片U5采用NCP1342芯片或同类准谐振反激控制器芯片，所述功率开关氮化镓芯片U4采用NV6125芯片或同类功率开关氮化镓芯片，所述同步整流控制器芯片U1采用NCP4306芯片或同类同步整流控制器芯片，所述运放芯片采用LM321芯片或同类运放芯片。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，包括按照从AC输入到DC输出的方向依次连接的EMI滤波与整流电路模块、APFC有源功率因数校正电路模块、PWM控制电路模块、功率开关氮化镓芯片U4、开关变压器T1A、输出整流滤波电路模块，其中，所述APFC有源功率因数校正电路模块通过连接PFC控制电路模块实现功率因数校正，在所述输出整流滤波电路模块与所述PWM控制电路模块之间设置有用于输出电压检测反馈的电压检测反馈回路，所述电压检测反馈回路包括光耦合器和电压检测采样电路模块，所述输出整流滤波电路模块通过所述电压检测采样电路模块连接所述光耦合器，所述光耦合器连接PWM控制电路模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述EMI滤波与整流电路模块包括依次连接在AC输入的火线与零线之间的可调电阻VAR1、励磁线圈LF2、电容CX1、励磁线圈LF1、串联电阻R48-R47-R60、电容CX2、贴片式整流桥BD1。

3.根据权利要求2所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述APFC有源功率因数校正电路模块包括连接在所述贴片式整流桥BD1电压输出端的整流电压输出正极线HB+和整流电压输出负极线，所述整流电压输出正极线HB+上依次设置有带铁芯电感线圈L1、正温度系数的热敏电阻TH1、带铁芯电感线圈T2B、一对并联二极管D10，所述整流电压输出负极线上设置有电阻RS2，所述整流电压输出正极线HB+和整流电压输出负极线分别设置有电容C29和增强型N-MOS场效应管Q3，所述增强型N-MOS场效应管Q3的漏极连接所述整流电压输出正极线HB+、源极连接所述整流电压输出负极线，所述增强型N-MOS场效应管Q3的漏极与源极之间并联有电容C35。

4.根据权利要求3所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述PFC控制电路模块包括功率因数校正控制器芯片U8，所述增强型N-MOS场效应管Q3的源极引出电阻R64与所述增强型N-MOS场效应管Q3的栅极连接后再通过串联设置的二极管D13及电阻R63连接至所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚DRV，所述串联设置的二极管D13及电阻R63的两端并联有电阻R65；所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚VCC连接所述PWM控制电路模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述PWM控制电路模块包括准谐振反激控制器芯片U5，所述APFC有源功率因数校正电路模块的整流电压输出正极线HB+上位于所述热敏电阻TH1与所述带铁芯电感线圈T2B之间的位置引出有一路电压供电线，所述电压供电线与所述整流电压输出正极线HB+的输出端之间连接有二极管D9，所述电压供电线通过串联电阻R6-R13连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚VH，所述开关变压器T1A上引出有一组电感线圈T1B，所述电感线圈T1B的正极端通过电阻R24和二极管D6连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Zcd/Opp，所述电感线圈T1B的正极端依次通过正向设置的二极管D5、二极管D8、三极管Q2和二极管D3分别连接至所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Vcc和所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚Vcc，且所述二极管D5上并联有串联设置的电容C7和电阻R14，所述三极管Q2的基极通过稳压二极管ZD2连接保护地PGND，所述二极管D8的阴极与所述三极管Q2集电极之间连接有电阻R45，所述二极管D8的阳极端分别通过电容C27和C28连接保护地PGND，所述三极管Q2的发射极通过二极管D11连接至所述功率因数校正控制器芯片U8的管脚VCC；所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚DRV通过电阻R23连接所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚PWM，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Cs通过电阻R26连接至所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚SS。

6.根据权利要求5所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Fault连接有负温度系数的热敏电阻NTC1。

7.根据权利要求5所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，在所述整流电压输出正极线HB+与所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚DF之间连接有开关变压器T1A的一次侧线圈，所述开关变压器T1A的二次侧线圈连接所述输出整流滤波电路模块；在所述功率开关氮化镓芯片U4的管脚DF与所述整流电压输出正极线HB+之间依次连接有二极管D1、电阻R5和电容C7，且在所述电阻R5和电容C7的两端并联设置有串联电阻R1-R2。

8.根据权利要求7所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述输出整流滤波电路模块包括同步整流控制器芯片U1、连接在所述开关变压器T1A的二次侧线圈上的直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-，所述直流电压输出负极线V-上设置有增强型N-MOS场效应管Q1，所述直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-之间依次设置有电容EC2、电容C3、电容EC3和励磁线圈LF3，所述同步整流控制器芯片U1的管脚VG与所述增强型N-MOS场效应管Q1的栅极相连接，所述同步整流控制器芯片U1的管脚VD通过电阻R10连接至所述增强型N-MOS场效应管Q1的漏极，所述增强型N-MOS场效应管Q1的漏极通过电阻R3和电容C4连接至所述增强型N-MOS场效应管Q1的源极，所述同步整流控制器芯片U1的管脚Vdd通过电阻R9与所述直流电压输出正极线V+相连接、并通过所述电阻R9连接所述电压检测采样电路模块。

9.根据权利要求8所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述电压检测采样电路模块包括依次连接在所述直流电压输出正极线V+和直流电压输出负极线V-之间的电阻R15、电阻R20、稳压二极管U3，所述电阻R20上并连接有所述光耦合器的发光二极管U2A，所述准谐振反激控制器芯片U5的管脚Fb通过电阻R20连接所述光耦合器的光敏三极管U2B；在所述电阻R15与电阻R20串联后的两端并联有串联设置的电阻R12、电阻R19和电容C8，所述电阻R12与所述电阻R19连接后通过导线连接至所述稳压二极管U3的公共端。

10.根据权利要求9所述的一种基于氮化镓功率芯片的驱动电源电路，其特征在于，所述开关变压器为采用平面工艺制作的开关变压器。

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