基于增强型GaN HEMT的48V转1V负载点电源模块设计

2019-01-24黄伟周德金许媛何宁业胡一波胡文新陈珍海

电子元器件与信息技术 2018年11期

黄伟，周德金，许媛，何宁业，胡一波，胡文新，陈珍海

（1.黄山市祁门新飞电子科技发展有限公司，安徽黄山 245600；2.黄山学院信息工程学院，安徽黄山 245021）

0 引言

当前新一代通信系统的设计中面临着日益严峻的电源系统设计的挑战，电源系统需管理更多电压以及更广泛的输入电压范围。随着整机系统对电源模块小型化和功率密度要求日益严格，如何在空间越来越小的情况下，提供越来越高的输出功率，并具有超高速瞬态响应和最佳的性价比，是通信电源设计的一个综合瓶颈问题。新型负载点电源模块是目前通信电源的主要实现方式，而实现其小型化和功率密度提升的主要途径就是提高电源系统的开关工作频率[1-3]。

以硅材料为基础的传统电力电子功率器件已逐步逼近其理论极限，难以满足电力电子技术高频化和高功率密度化的发展需求。与传统的Si基功率器件相比，GaN功率器件[4]展现了其在导通电阻和开关速度上的明显优势，可以使电源系统实现更小体积、更高频率及更高效率，从而在汽车、通信、工业控制等领域中具有广阔的应用前景[5-7]。增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）是GaN功率器件面向电力电子领域应用的主要器件[8-10]。GaN HEMT的主要优点有极低的门极电荷，极低的分布电容、超快的开关速度、超小的器件体积、优异的品质因数、超低的开关损耗和很低的器件发热。在同样的耐压条件下，其与Si基MOSFET相比主要有：导通电阻和器件体积小、开关速度快、电流密度大和功率密度高的特点。GaN HEMTs的这些特点使其可以快速提高电源系统的开关频率，能有效地减小电路中电容、电感及变压器的尺寸，使得整个电源系统达到高效率、高功率密度和小型化。

本论文基于增强型GaN HEMT器件实现了一种48V转1V高速点负载开关电源，达到了600KHz的工作频率和小于1us的输出建立时间。论文详细给出了点负载电源电路结构和核心电路具体实现，并给出了电源模块测试验证结果。

1 电源模块电路结构

如图1所示即为本文设计的采用增强型GaN HEMT的负载点电源电路结果，可以看出其电路结构为典型的倍流整流方式半桥直流变换器结构。该电路由输入直流电源VIN、PWM控制器和2个半桥栅驱动器、两个逆变桥臂1和2、隔离变压器T1、耦合电感L1和L2、电容C1-C5和功率开关Q1-Q4组成。其中，Q1-Q4是四只增强型GaN HEMT功率开关管，C2是输入滤波电容，C1、C3和C4是整流电容，C5是输出滤波电容。

图1 电源模块系统结构Fig.1 Power module system structure

本文中用于产生PWM脉冲控制信号的控制器为TI公司的TPS53632G，栅驱动器采用了TI公司针对增强型GaN HEMT器件专用的LM5113半桥驱动电路。图中辅助的偏置电源产生电路未给出。

2 核心电路实现

2.1 PWM控制器

图2（a）为本文采用的TI公司专用于GaN器件的PWM控制器TPS53632G的功能框图。其内部除了常规PWM信号产生电路所需要的振荡器、锯齿波产生、误差比较器等基本单元之外，增加了大量的控制部件，包括2个用于温度、电流检测的7-bit DAC电路，一个对芯片状态进行实时监控的片上CPU，为方便外部控制，提供了标准的I2C接口。该芯片在很小的封装体下，提供了强大的芯片功能，其封装采用4mm×4mm的32-Pin VQFN封装，占用板卡面积小；其最高输出频率达到1MHz，满足GaN器件的开关速度要求，可以发挥出开关频率高的优势。

图2（b）是该芯片的具体应用电路原理图，电路采用5V电压供电，由内部振荡器产生时钟信号，通过I2C接口对时钟频率进行配置，输出PWMH和PWML两路600KHz脉宽信号，两路信号分别同时进入栅驱动器电路。

图2 PWM控制器框图和典型应用电路Fig.2 PWM controller block diagram and typical application circuit

2.2 GaN栅驱动电路

由于高速GaN HEMT器件特性和现有硅基MOSFET和IGBT器件有很大差异，因此不能选用现有通用MOSFET和IGBT栅驱动电路，而必须选用GaN HEMT专用的驱动电路。典型的栅驱动电路，其电路功能模块包括用于输入电平转换的2路接口电路，用于产生死区保护时间的死区产生电路，高压侧进行低压转高压电平变换的电平移位电路，低压端延迟补偿的低端延迟匹配电路，两路输出驱动电路，用于对整体电路状态进行监控和保护的欠压封锁电路、过流和过热保护电路。当电路出现过热、过流或者电源电压发生欠压时，就会触发死区电路的输出为恒定的低电平，控制后续电路停止工作，以保护功率器件。

本文中采用的半桥栅驱动电路为TI公司的LM5113栅驱动电路，电路框图如图2（a）所示。该电路内部包含高低侧开关驱动电路，高低侧输出驱动分别采用了一个限流电阻用于平滑栅极驱动电平。其内部还包括自举电容电压钳位模块、电压转移模块、自举充电模块、高通道电平移位模块、高通道功率管驱动模块、低通道欠压锁定模块UVLO、低通道电平移位模块、低通道功率管驱动模块，输出功率管PMOS 管MP1、MP2 和 NMOS 管 MN1、MN2。

2.3 增强型GaN HEMT器件

本文中所使用的增强型GaN HEMT一共有2个型号，变压器前端半桥两个桥臂采用的型号为EPC公司的EPC2105 耐压80V、电流10A HEMT半桥开关，变压器输出侧采用的型号为EPC公司的EPC2023，为耐压30V，电流90A的晶体管器件[5]。图4（a）是该增强型GaN HEMT器件EPC2023的LGA封装底部照片，可以实现面积最小化。图4（b）是EPC2023器件的电压-电流特性曲线，在第一象限，本文采用的HEMT器件和硅基MOSFET的电压-电流特性完全类似，但是在第三象限，HEMT器件和硅基MOSFET器件有很大差异。对于本文采用的常规同步整流功率变换系统来说，通常主要关注开关器件的第一象限特性。

图3 LM5113栅驱动电路Fig.3 LM5113 Gate drive circuit

图4 GaN HEMT的封装结构和电压-电流特性Fig.4 The package structure and I-V characteristics of GaN HEMT

3 试验测试

如图5为本文设计的采用增强型GaN HEMT的负载点电源电路的测试现场，以及电源板卡实物的正反面照片。图5（a）是测试现场，图5（b）是负载点电源模块实物的正面照片，采用的栅驱动电路为TI公司的LM5113，PWM控制器为TPS53632G；图5（c）实物的反面照片，可以清楚的看到4个型号为EPC2023的HEMT器件的位置，本文中设计目标是最大输出电流50A，而单个EPC2023 HEMT工作电流仅为90A，因此采用2个HEMT并联组成一个输出桥臂的设计方案，合计是4个输出HEMT开关。

图5 测试现场及实物照片Fig.5 Test site and photograph

图6所示为采用增强型GaN HEMT的负载点电源测试波形，图6（a）所示为PWM控制器输出的2路PWMH 和 PWML脉冲波形，可以看出频率大于600KHz，高低电平分别为5V和0V。由图中可以看出测得Q1、Q2栅极输入的PWM波形预留了足够的死区时间保护，为两个不交叠互补的脉冲信号，Q1、Q2电压完全上升至脉冲信号的高电平时间约为100ns，显示出GaN驱动特性的快速要求。图6（b）所示为所设计电源模块变压器前端半桥开关的输出波形，可以看出在600KHz输入开关控制信号的作用下，半桥输出特性良好，建立时间满足系统要求。图6（c）所示电源模块变压器后端功率输出半桥的HEMT栅极和漏极输出波形。图6（d）所示为电源模块变压器后端功率输出半桥的输出波形，输出建立时间同样满足系统要求。图6（e）所示为负载点电源模块最终1V电压输出时，电流输出启动波形，电流输出建立时间为700ns，满足系统要求。