一种基于GaN器件的高频抗辐射DC/DC变换器及其工作方法与流程

本发明涉及开关电源，具体涉及一种基于gan器件的高频抗辐射dc/dc变换器及其工作方法。

背景技术：

1、随着整机系统功能和载荷的增加，对空间用抗辐射dc/dc变换器提出了更高的要求，尤其是频率、效率和功率密度等方面。空间用抗辐射dc/dc变换器的发展由于受到了高端控制芯片和基于高可靠设计的功率拓扑应用的限制，技术发展相对缓慢。因此，功率mosfet是限制空间用dc/dc变换器性能和频率的关键因素。

2、第三代新型半导体gan是一种宽带隙半导体，具有比硅更高的功能转换效率和固有的抗辐射性能。由于其本身拥有电子迁移率高，寄生参数小，导通损耗小，阻断电压高等优点，同时表现出优良的高温、高频、高压特性，应用在高频抗辐射dc/dc变换器中具有突出的优势。提高开关频率可以缩小磁性器件和容性器件的体积，进而提高功率密度，但是会带来开关损耗增加和电磁干扰增强等问题。同时，在空间辐射环境的使用条件下，光耦隔离的传输比下降明显，严重时失去隔离反馈功能，使dc/dc变换器开环，输出电压失控。

3、因此，在实现高频、高效、高功率密度的同时，保证dc/dc变换器的抗辐射能力，是空间用抗辐射dc/dc变换器目前需要重点要解决的难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于gan器件的高频抗辐射dc/dc变换器及其工作方法，该dc/dc变换器能够解决现有技术中的不足，通过采用gan器件作为开关管和同步整流管，采用对辐照不敏感的磁隔离技术实现电路隔离驱动和闭环控制，可以实现抗辐射dc/dc变换器的频率、效率和功率密度的大幅提升。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种基于gan器件的高频抗辐射dc/dc变换器，该高频抗辐射dc/dc变换器包括：dc/dc变换电路、pwm控制电路、反馈控制电路和隔离供电电路。

4、所述dc/dc变换电路，用于实现输入电压、输出电压的隔离变换。dc/dc变换电路包括通过高频变压器t1连接的初级单端正激电路和次级同步整流电路，初级单端正激电路采用gan器件作为开关管，次级同步整流电路采用gan器件作为同步整流管。所述pwm控制电路包括pwm控制器n3和gan驱动电路。所述pwm控制器n3放置于dc/dc变换器的次级侧，其接地端gnd与次级地连接；所述gan驱动电路包括初级gan开关管磁隔离驱动电路和次级gan同步整流管驱动电路。所述反馈控制电路，用于实现dc/dc变换器的闭环控制。所述隔离供电电路，用于为pwm控制电路提供供电电压以及欠压保护采样信号。

5、根据本发明优选的，所述dc/dc变换电路包括通过高频变压器t1连接的初级单端正激电路和次级同步整流电路；所述初级单端正激电路包括gan开关管v1；所述次级同步整流电路包括gan整流管v2、gan续流管v3、输出滤波电感l2和输出滤波电容c1。

6、所述高频变压器t1包括初级绕组np及次级绕组ns，且初级绕组np的端一与次级绕组ns的端三为同名端，初级绕组np的端一与dc/dc变换器输入端vin相连。所述gan开关管v1，其漏极与高频变压器t1的初级绕组np的端二相连，源极与初级地相连。所述gan整流管v2，其漏极与高频变压器t1的次级绕组ns的端四相连，源极与gan续流管v3的源极连接后与次级地相连。所述gan续流管v3，其漏极分别与高频变压器t1的次级绕组ns的端三连接、输出滤波电感l2的一端相连；所述滤波电感l2的另一端分别与输出滤波电容c1的一端、输出端vo相连；所述输出滤波电容c1的另一端与次级地相连。

7、根据本发明优选的，所述pwm控制电路包括pwm控制器n3和gan驱动电路；所述pwm控制器n3放置于dc/dc变换器的次级侧，其接地端gnd与次级地连接。

8、所述gan驱动电路包括初级gan开关管磁隔离驱动电路和次级gan同步整流管驱动电路。所述初级gan开关管磁隔离驱动电路包括第一分压电路、磁隔离传输电路和第一gan驱动电路。

9、所述第一分压电路包括电阻r4和电阻r5；所述电阻r4的一端与pwm控制器n3的pwm信号输出端相连，另一端经过电阻r5后与初级地相连。

10、所述磁隔离传输电路包括变压器t3、电容c5、电容c6、二极管d4和电阻r6；所述变压器t3，其初级绕组np的端一经过电容c5后与电阻r4和电阻r5的交点相连，初级绕组np的端二与初级地相连，次级绕组ns的端三经过电容c6后与二极管d4的阴极连接，次级绕组ns的端四与次级地连接；所述二极管d4的阳极与次级地连接，其阴极与gan驱动器n1的信号输入端lo相连；所述电阻r6并联连接在二极管d4的两端。

11、所述第一gan驱动电路包括gan驱动器n1、电容c7、电容c8、电阻r7、电阻r8和电阻r9；所述gan驱动器n1，其供电端vin经过电容c7与次级地连接，gnd端与次级地连接，vdd端经过电容c8与次级地连接，驱动输出端loh经过电阻r7与gan开关管v1的栅极连接，驱动输出端lol经过电阻r8与gan开关管v1的栅极相连；所述电阻r9并联连接在gan开关管v1的栅极和源极。

12、所述次级gan同步整流管驱动电路包括第二分压电路和第二gan驱动电路。

13、所述第二分压电路包括电阻r10、电阻r11、电阻r12和电阻r13；所述电阻r10的一端连接pwm控制器n3的同步整流信号输出端sra，另一端与电阻r11的一端相连后与gan驱动器n2的信号输入端hi相连；所述电阻r11的另一端与次级地相连；所述电阻r12的一端连接pwm控制器n3的同步整流信号输出端srb，另一端与电阻r13的一端相连后与gan驱动器n2的驱动信号输入端lo相连；所述电阻r13的另一端与次级地相连。

14、所述第二gan驱动电路包括gan驱动器n2、电容c9、电容c10、电容c11、二极管d5、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18和电阻r19；所述gan驱动器n2，其供电端vin经过电容c9与次级地连接，驱动输出端hoh经过电阻r14与gan续流管v3的栅极相连，驱动输出端hol经过电阻r15与gan续流管v3的栅极相连，驱动输出端loh经过电阻r16与gan整流管v2的栅极相连，驱动输出端lol经过电阻r17与gan整流管v2的栅极相连，驱动bst端与二极管d5的阳极相连，其阴极与hb端相连，hs端与次级地相连，gnd端与次级地相连；所述电容c10并联连接在gan驱动器n2的hb端和hs端，所述电容c11并联连接在gan驱动器n2的vdd端和次级地；所述电阻r18并联在gan整流管v2的栅极和次级地；所述电阻r19并联在gan续流管v3的栅极和次级地。

15、根据本发明优选的，所述反馈电路包括电压反馈电路和电流反馈电路，用于实现dc/dc变换器的闭环控制。所述电压反馈电路，用于对dc/dc变换电路的输出电压vo经电阻分压采样后反馈至pwm控制器n3的电压反馈端fb。所述电流反馈电路，用于通过电流互感器l1对高频变压器t1的初级电流进行隔离采样后，反馈至pwm控制器n3的电流反馈端cs；所述电流互感器l1设置在输入端vin与高频变压器t1的初级绕组的端一之间的线路上。

16、根据本发明优选的，所述隔离供电电路，用于为gan驱动器n1、gan驱动器n2和pwm控制器n3提供供电电压，同时为pwm控制器n3提供欠压保护采样信号，以实现dc/dc变换器的欠压保护功能。

17、所述隔离供电电路包括通过变压器t2连接的rcc变换电路；经过rcc变换电路隔离变换后输出的电压信号包括初级供电电压vccp，次级供电电压vccs和欠压保护信号vl；所述初级供电电压vccp连接初级gan驱动器n2的供电端；所述次级供电电压vccs连接次级pwm控制器n3的供电端、次级gan驱动器n2的供电端；所述欠压保护信号vl连接次级pwm控制器n3的欠压保护端uvlo。

18、根据本发明优选的，所述隔离供电电路包括通过变压器t2连接的初级自激振荡电路和次级整流电路。

19、所述变压器t2包括初级绕组np1、初级绕组np2、次级绕组ns1、次级绕组ns2和次级绕组ns3；所述变压器t2的初级绕组np1的端一、初级绕组np2的端三、次级绕组ns1的端五、次级绕组ns2的端七和次级绕组ns3的端十为同名端。

20、所述初级自激振荡电路包括三极管q1、三极管q2、稳压管d7、二极管d6、二极管d8、二极管d9、电容c12、电容c13、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电阻r24和电阻r25；所述三极管q1，其源极与变压器t2的初级绕组np1的端二相连，发射极经电阻r20与初级地相连，基极与三极管q2的源极相连；所述三极管q2，其基极经电阻r21与三极管q1的发射极相连，发射极与输入地相连；所述二极管d8的阴极与三极管q2的发射极相连，其阳极与输入地相连；所述电阻r22的一端与变压器t2的初级绕组np1的端一相连后与dc/dc变换器输入端vin相连，另一端与三极管q1的基极相连；所述电容c12的一端与电阻r24的一端相连，电容c12的另一端与二极管d8的阴极相连；所述电阻r24的另一端与变压器t2的初级绕组np2的端三相连；所述二极管d9的阳极与变压器t2的初级绕组np2的端三相连，二极管d9的阴极经电阻r23与二极管d8的阴极连接；所述二极管d6的阳极经过电容c13与输入地相连，二极管d6的阴极与变压器t2的初级绕组np2的端三相连；所述电组r25与电容c13并联连接；所述稳压管d7的阴极与二极管d8的阴极相连，稳压管d7的阳极与二极管d6的阳极相连。

21、所述次级整流电路包括整流二极管d1、整流二极管d2、整流二极管d3、电阻r26、电阻r27、电阻r28、电阻r29、电容c14、电容c15和电容c16；所述二极管d1的阳极与变压器t2的次级绕组ns1的端五连接，其阴极经过电容c14后与变压器t2的次级绕组ns1的端六连接后与次级地相连；所述电阻r26的一端与二极管d1的阴极连接，电阻r26的另一端经过电阻r27与次级地连接；所述电阻r26和电阻r27的连接端为欠压保护采样信号vl端；所述二极管d2的阳极与变压器t2的次级绕组ns2的端八连接，二极管d2的阴极经过电容c15与变压器t2的次级绕组ns2的端七连接后与次级地相连；所述电阻r28并联连接在二极管d2的阴极和次级地；所述二极管d2的阴极为次级供电vccs输出端；所述二极管d3的阳极与变压器t2的次级绕组ns3的端九相连，二极管d3的阴极经电容c16与变压器t2的次级绕组ns3的端十连接后与次级地相连；所述电阻r29并联连接在二极管d3的阴极和初级地端；所述二极管d3的阴极为初级供电vccp的输出端。

22、根据本发明优选的，所述三极管q1为npn型功率三极管；所述三极管q2为npn型三极管；所述二极管d1，d2，d3为肖特基二极管。

23、根据本发明优选的，所述gan开关管v1采用国产300v抗辐射gan功率管；所述gan整流管v2和gan续流管v3采用国产100v抗辐射gan功率管。

24、根据本发明优选的，所述变压器t3采用磁环绕制，包括初级绕组np和次级绕组ns，且变压器t3的初级绕组的端一与次级绕组的端三为同名端，变压器t3的绕组的绕制方式采用双线并绕方式，电感量≥500uh。

25、根据本发明优选的，所述gan驱动器n1和所述gan驱动器n2均采用国产双通道的抗辐射gan驱动器，用于提供与电源电压无关的5v栅极驱动电压，支持1mhz开关频率和支持双通道独立控制模式。

26、所述pwm控制器n3采用国产电压、电流模式高频抗辐射pwm控制器，支持1mhz开关频率，提供死区时间可调的同步整流驱动信号，同时集成了欠压、过流等保护功能。

27、本发明还包括一种上述基于gan器件的高频抗辐射dc/dc变换器及其工作方法，该方法包括以下步骤：

28、所述隔离供电电路提供pwm控制器n3的工作电压，并由pwm控制器n3产生gan开关管v1的驱动信号，gan开关管v1根据驱动信号进行开关动作将输入的直流电压变换为高频方波电压，再经过变压器t1隔离变换后输出，变压器t1输出的高频方波电压先经过gan开关管v2和gan开关管v3整流处理，再经过滤波电感l2和输出滤波电容c1滤波后，输出所需要的电压。

29、和现有技术相比，本发明的优点为：

30、(1)由于gan器件的栅极驱动电压范围为-5～+6v，且驱动阈值电压较低约为1.2v，高频工作条件下由于寄生电感、电容的影响会导致振铃及误开启等可靠性问题。本发明通过采用合理的分压设计，信号的磁隔离传输，独立拉罐分离模式的gan驱动电路，以及有效的抗干扰设计。由于驱动信号电平不匹配需要经过所述分压电路进行分压，电阻r4和r5对pwm控制器n3输出0～10v的pwm驱动信号分压后将转换成0～5v的pwm驱动信号，以满足gan驱动器n1的信号输入端hi，lo的电压范围为-0.3～5.5v。

31、(2)考虑到辐射要求，本发明采用对辐射不敏感的磁隔离传输电路进行驱动信号的传输，且由于pwm驱动信号含有直流分量，会造成隔离变器t3的偏磁，因此，本发明在变压器t3的初级侧串联隔直电容c5，可以滤除pwm驱动信号中的直流成分。本发明通过在隔离变压器t3次级侧设计一个电位平移电容c6，可以补偿隔直电容c5上的电压降，使驱动电路输出电压不随占空比变化。本发明通过设置二极管d4，使二极管d4与电容c6构成磁复位电路，可以消除传输到次级的pwm信号中存在的负压，确保信号的无失真传输。

32、(3)由于gan栅极驱动电压阈值较低约1.2v，且栅极驱动电压安全裕度较小，寄生参数在开关瞬态会引起驱动电压振荡，导致误开通甚至栅极过压击穿。拉罐共用模式驱动会受到反向二极管的压降影响造成无处发情况，因此，本发明选择具有独立拉罐分离模式的gan驱动器。

33、(4)为了降低驱动干扰，在gan开关管v1的gs间并联一个10k电阻r9，用来降低输入阻抗。gan开关管v1的dg间寄生电容充电时候的电流可以流过电阻r9所在支路，通过这样的方式就可以避免器件的误导通。gan驱动器n1的电源输入端vin和驱动供电端vdd并联旁路电容c7和c8，可以稳定供电降低干扰。驱动电阻r7和电阻r8可以限制gan开关管v1的开关速度，驱动电阻的阻值太大会降低开关速度并增加损耗，驱动电阻太小使得dv/dt变高。由于米勒导通和潜在的门极振荡而导致的开关损耗更高，综合开关损耗和驱动的稳定性考虑，驱动电阻r7取10-20ω，r8取1-2ω，可以提供快速下拉，实现高效可靠驱动。在保证信号无失真传输的同时实现了gan器件的高效、可靠驱动。

34、(5)本发明采用了gan器件作为开关管和同步整流管，具有比si基mosfet更低的导通损耗和开关损耗，同时通过低损耗高频率变压器设计，驱动电路设计及合理的参数设计，使得dc/dc变换器工作在800khz的频率下，功率密度提升58.25％，使dc/dc变换器具有高频、高效、高功率密度的优点。本发明需要多个隔离辅助供电电压，采用的隔离供电电路只需要少数分立元件就可以实现多路隔离电压输出的性能，通过良好的设计可以获得高效和可靠的工作，具有电路结构简单，可移植扩展，抗辐射能力强等优点。