智能功率放大器模組，基於氮化鎵場效應晶體管（GaN FETs）

技術分享雜談GaN技術 – EPC Guest Blogger 五月 10, 2021

來賓 GaN 談話部落格：Pavel Gurev，Sinftech Rus LLC

本文原刊於 Bodo 的電力系統 2021 年 4 月期

在過去的幾年中，氮化鎵（GaN）場效應晶體管（FET）在電力電子學中變得更加普及。由於其出色的特性，GaN FET 在具有超高功率密度超過 100 W / cm³ 及以上的開關轉換器小型化中發揮著越來越重要的作用。基於 GaN 晶體管的轉換器效率可達到 99.5%。由於轉換頻率擴展到 MHz 範圍內，磁性元件（電感、變壓器）的尺寸也顯著減小。然而，設計人員在實現實際的 GaN 晶體管設計時面臨許多挑戰。最佳的家族成員以晶圓級芯片封裝呈現；驅動器也非常小型化。

由於極快的開關速度，優化閘極控制電路及其拓撲結構存在重大問題。需要提醒的是，GaN FET 沒有常見的寄生體二極體，這影響應用設計。考慮到功率元件的電流和電壓值，相對於其尺寸，顯然需要在 PCB 拓撲、散熱和確保所有工作模式的安全區域運行方面採用新設計方法。通常，設計人員必須在“成本”、“效率”和“EMC”之間選擇兩者，但對於 GaN FET，這種組合相對於 Si MOSFET 得到了擴展。

為簡化和加速許多設備（D 級音頻放大器、AC 電流和電壓校準器、電源調制器等）的開發過程，出現了創建具有以下參數的智能功率放大器模組（IPAM）的想法：

• 供電電壓高達 80 V，輸出電流高達 20 A

• 正弦波輸出功率 500 瓦

• 效率 98%（半功率）、96%（額定功率）

• 全功率帶寬 0…50 kHz

• 主載波頻率 1 MHz，內部轉換頻率高達 10 MHz

• 低於 0.01% 的總諧波失真（-1dB）

• 通過 2 線串行接口（TWI）進行診斷和參數設置

IPAM 是一個完全差動的脈衝功率放大器，涵蓋通用的負反饋。典型的載波頻率約為 1 MHz，並可根據輸入電平、輸出功率和負載阻抗在 ±50% 內變化。高速精密比較器用作誤差放大器。

該模組包含小型 FPGA 芯片。FPGA 的第一個重要功能是生成額外的脈衝以實現最佳放大器線性。第二個 FPGA 功能是保持功率開關和輸出電感的安全操作模式，無論輸入模擬或 PWM 信號的參數如何。FPGA 限制調製指數和一些其他參數。當轉換頻率低於限制時，FPGA 會生成額外的脈衝，防止由於自舉電容放電而觸發的 UVLO 檢測器。最小脈衝長度也受到限制，以符合驅動電路的可能性。如果輸入信號的參數符合引入的限制，誤差放大器輸出的脈衝序列將異步傳輸到半橋驅動器，延遲小於 5 ns，且時間失真最小。所有參數均可通過 TWI 編程並可由用戶停用。

由於其原始控制迴路結構，IPAM 在 THD+N 對頻率和 THD+N 對輸出功率方面沒有依賴性，並且對輸出功率的依賴性非常低。對於高達 200-250 W RMS 的輸出功率，IPAM 在一般情況下不需要額外的散熱器。

THD+N 對頻率，V_PWR=48 V，R_L=4 Ohm，P_OUT=100 W

通過使用具有外層 35 µm Cu 和內層 70 µm 的六層 PCB 並填充銅的過孔，解決了散熱問題。該模組安裝在尺寸為 76 x 36 x 18 mm 的 CNC 加工鋁製外殼中。最後階段使用具有非常高導熱性的專用陶瓷基複合材料進行真空填充。

由於需要研究 TDK/Epcos 和 Ferroxcube 製造的最新高頻功率鐵氧體的參數，輸出電感的開發已成為一項單獨的研發工作。不幸的是，這些公司沒有提供足夠的數據進行準確計算。我不得不找到製作不同間隙和不同匝數樣品的方法並詳細研究它們。這花費了一個多月的時間及相應的成本。

結果，創建了具有 20 A 線性電流範圍和 SRF > 10 MHz 的 33 μH 小型電感。不幸的是，世界工業並不生產具有類似特性的電感。我得到了大約 16 個具有不同參數的可用電感。

我還必須研究各種薄膜電容器的實際特性，以用於輸出解調 LC 濾波器，並選擇具有聚苯硫醚介電質的產品。由於陶瓷電容器的巨大非線性，它們不適合這些用途。特別注意選擇電源級的最佳陶瓷阻塞電容器。如果沒有矢量網路分析儀、2 GHz 示波器和幾次燃燒實驗，我不確定能否完成這項工作。許多參考設計是“自成一體的”，只能在實驗室桌上“按原樣”工作，但在實際環境中無法工作，尤其是如果它們與外部連接捆綁在一起時會產生 EMI 問題。我設法實現了幾乎所有高頻成分的開關電流都在模組內循環。

如果您希望實現高效率且不希望未來有 EMI 問題，請仔細設計閘極驅動電路。我強烈建議在自然燒毀之前模擬電路並添加寄生電感。對於 GaN FET，可靠的閘極控制和實際參數（效率、EMI）之間有一個非常微妙的權衡。可以找到一種方法來保持閘極的自信控制。我建議使用鐵氧體珠的一些奇妙特性來應對一些非凡情況。由於極高的 dV/dt 和 dI/dt，運行期間模組的電源和信號接地之間會產生顯著的電壓尖峰。我為 TWI 和 ERR/ENA 控制信號增加了電氣隔離。

RGB LED 指示多次故障的事實和原因。錯誤類型以一系列閃爍顯示，中間由長暫間隔分開。IPAM 可以自動重新初始化，使用內建定時器生成保護間隔。

目前正在開發一種不帶輸出解調濾波器的通用兩相模組。它可用於具有不同拓撲（降壓、升壓或 LLC）的各種 DC/DC 轉換器。具有類似參數的三相功率模組可以製造。

我要感謝 EPC 歐洲辦事處的及時支持。這兩年多的工作結果是對 GaN 電力電子學能力的深入理解。已開發出幾種架構、電路、拓撲和設計解決方案，現在可以開發各種突破性電子系統的多種設備。

參考文獻：

Pavel Gurev 是 Sinftech LLC 的首席技術官，負責系統架構設計、模擬、數字硬件設計與開發以及生產支持。