基于GaN FET的智能功率放大器模块

技术分享GaN技术杂谈 – EPC Guest Blogger 5月 10, 2021

氮化镓（GaN）专题博客：Pavel Gurev，Sinftech Rus LLC

本文最初发表于2021年4月的Bodo's Power Systems

在过去的几年里，氮化镓（GaN）场效应晶体管（FETs）在电力电子学中变得越来越普及。由于其优越的特性，GaN FETs在小型化高功率密度超过100 W/cm³的开关转换器中发挥着越来越重要的作用。基于GaN晶体管的转换器效率可达99.5%。由于转换频率扩展到MHz范围，磁性元件（电感、变压器）的尺寸也显著减小。然而，设计师在实现实际的GaN晶体管设计时面临诸多挑战。最优的家族成员采用晶圆级芯片级封装，驱动器也相当小巧。

由于极快的开关速度，优化栅极控制电路及其拓扑结构存在显著问题。需要提醒的是，GaN FETs没有常见的寄生体二极管，这影响了应用设计。考虑到功率元件的电流和电压值及其相对尺寸，很明显在PCB拓扑、散热和确保所有工作模式的安全区域操作方面需要新的设计方法。通常，设计师在“成本”、“效率”和“EMC”之间必须选择两项，但对于GaN FETs，这种组合比Si MOSFETs更广泛。

为了简化和加速许多设备（D类音频放大器、交流电流和电压校准器、电源调制器等）的开发过程，提出了创建具有以下参数的智能功率放大模块（IPAM）的想法：

• 供电电压高达80 V，输出电流高达20 A

• 正弦波输出功率500瓦特

• 效率98%（半功率），96%（额定功率）

• 全功率带宽0…50 kHz

• 主要载波频率1 MHz，内部转换高达10 MHz

• 总谐波失真小于0.01%（-1dB）

• 通过2线串行接口（TWI）进行诊断和参数设置

IPAM是一个全差分脉冲功率放大器，由通用负反馈覆盖。典型载波频率约为1 MHz，可根据输入电平、输出功率和负载阻抗在±50 %内变化。高精度比较器用作误差放大器。

模块包含小型FPGA芯片。FPGA的第一个重要功能是生成额外脉冲以实现最佳放大器线性。FPGA的第二个功能是维持功率开关和输出电感的安全操作模式，无论输入模拟或PWM信号的参数如何。FPGA限制调制指数及其他一些参数。当转换频率低于限制时，FPGA会生成额外脉冲，防止由于自举电容放电而触发UVLO检测器。最小脉冲长度也受限，以符合驱动电路的可能性。如果输入信号的参数符合所引入的限制，来自误差放大器输出的脉冲序列将异步传输到半桥驱动器，延迟小于5 ns且时间失真最小。所有参数可通过TWI编程并可由用户停用。

IPAM对THD+N与频率之间没有依赖性，对THD+N与输出功率之间的依赖性也非常低，这得益于其原始控制环路结构。对于高达200-250 W RMS的输出功率，IPAM在一般情况下无需额外散热器。

THD+N与频率关系，V_PWR=48 V，R_L=4 欧姆，P_OUT=100 W

散热问题通过使用六层PCB解决，外层采用35 µm铜，内层采用70 µm铜，通孔填充铜。模块置于76 x 36 x 18 mm尺寸的CNC加工铝制外壳中。最后阶段，采用具有非常高热导率的专用陶瓷基化合物进行真空填充。

输出电感的开发变成了一项单独的研发工作，涉及研究TDK/Epcos和Ferroxcube制造的最新高频功率铁氧体的参数。不幸的是，这些公司没有提供足够的数据进行准确计算。我不得不找到一种方法制作不同间隙和不同匝数的样品，并详细研究它们。这花费了超过一个月的时间和相应的成本。

结果，创建了20 A线性电流范围和SRF > 10 MHz的小尺寸33 μH电感。不幸的是，世界工业没有生产具有类似特性的电感。我得到了约16个具有不同参数的可用电感。

我还必须研究各种薄膜电容器的实际特性，以用于输出解调LC滤波器，并选择具有聚苯硫醚介电质的产品。陶瓷电容器由于其巨大的非线性不适用于这些用途。特别注意选择用于功率级的最佳陶瓷隔离电容器。我不确定是否能够在没有矢量网络分析仪、2 GHz示波器和主动探头以及开始时几次燃烧实验的情况下完成这项工作。许多参考设计是“自身的事物”，只能“按原样”在实验台上工作，但在实际环境中不起作用，特别是如果它们通过外部连接产生EMI问题。我设法实现了几乎所有开关电流的高频成分在模块内部循环。

如果您想实现高效率并避免未来的EMI问题，请仔细设计栅极驱动电路。我强烈建议在开始实际烧毁之前，模拟电路添加寄生电感。使用GaN FETs，在可靠的栅极控制和实际参数（效率，EMI）之间有一个非常微妙的权衡。有可能找到一种方法保持栅极的自信控制。我建议使用铁氧体珠的一些出色特性，这些特性可用于一些非平凡的情况。由于极高的dV/dt和dI/dt，模块在操作期间电源和信号接地之间会出现显著的电压尖峰。我为TWI和ERR/ENA控制信号添加了电隔离。

RGB LED指示多次故障的事实和原因。错误类型编码为一系列闪烁，闪烁之间有长时间间隔。IPAM可以使用内置定时器自动重新初始化，该定时器生成保护间隔。

一个不带输出解调滤波器的通用双相模块正在开发中。它可用于具有不同拓扑结构的广泛DC/DC转换器（降压、升压或LLC）。具有类似参数的三相功率模块也可以构建。

我要感谢EPC欧洲办公室的及时支持。这两年工作的结果是对GaN电力电子能力的深刻理解。开发了几个架构、线路、拓扑和设计解决方案，现在可以开发各种突破性电子系统的设备。

参考文献：

Pavel Gurev是Sinftech LLC的首席技术官，负责系统架构设计、模拟、数字硬件设计及开发和生产支持。