一种基于氮化镓晶体管的DC/DC电源模块

王 鑫，徐 林，刘 阔

（中国电子科技集团第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

几十年来，硅基功率器件获得了超过两个数量级的性能改善，目前已进入性能平稳期，其性能的进一步提升往往伴随着成本的显著增加。与此同时，迅速发展的用电设备也对电源模块的体积、效率等指标提出了更苛刻的要求。然而，传统硅基功率器件的性能已经逼近其理论极限，使得氮化镓晶体管代替硅基功率器件成为可能。氮化镓晶体管具有通态电阻小、开关速度快、开关损耗低等特点和优势，可以满足实际应用中对高效、高功率密度、高温及抗辐照等要求，可以进一步提高开关频率，减小电源模块体积，提高效率和功率密度。

开关电源的高频变换电路形式很多，常用的有单端反激、单端正激、推挽、半桥和全桥等形式。其中，半桥变换器中变压器可以实现双向励磁，使磁芯利用更加充分。与反激、正激和推挽电路相比，半桥变换器需要的功率开关管耐压值较低；与全桥变换器相比，半桥变换器原边只需要两个功率开关管，电路设计简单、可靠。综合诸多原因，在中小功率场合，半桥变换器得到了广泛应用。

本文将介绍一种带有同步整流的硬开关半桥变换器，原边的功率开关管和副边的同步整流管使用氮化镓晶体管代替传统的硅基功率器件，开关频率400 kHz，具有体积小、效率高、纹波小以及动态响应速度快等优点。

1 电路结构及工作原理

1.1 电路结构

带有同步整流功能的硬开关半桥变换器，如图1所示。原边具有两个桥臂，一个桥臂由功率开关管S1和S2构成，另一个桥臂由电容C1、C2构成。高频变压器T的原边绕组一端接在S1、S2的公共点，另一端接在C1、C2的中点。C1、C2的中点电压等于输入电压的一半，即Vin/2。副边使用功率管SR1、SR2代替传统的二极管作为整流器件。由于同步整流管SR1、SR2一般选择通态电阻较低的功率管，其导通压降与二极管相比要低很多，因此使用同步整流可以提高电路效率，减小元件热应力，有利于实现电源的小型化。Lo、Co组成低通滤波器，作为变换器输出的滤波单元。本设计中，S1、S2、SR1、SR2全部选择性能优良的氮化镓晶体管。

图1 同步整流的硬开关半桥变换器主电路图

1.2 主电路工作原理

图2表示稳态工作时4个功率管的驱动波形和变压器原边电压波形Vpri。

图2 稳态工作波形

开关管S1与S2驱动波形相位差为180°。开关管S1与同步整流管SR1驱动波形互补，并带有一定时间的死区；开关管S2与同步整流管SR2驱动波形互补，并带有一定时间的死区。在S(1,2)导通前，SR(1,2)首先关断，S(1,2)关断后SR(1,2)再导通。在一个开关周期内共有4个不同的工作模式，分析如下。

模式1：传能模式（t1～t2）。该阶段从开关管S1导通开始，以S1关断结束。S1导通前，SR1已经关断，SR2依然开通。通过SR1体二极管（或外加二极管）和SR2本体进行续流，变压器原、副边电压为0。S1导通，电容C1的电压（输入电压的一半）直接加在变压器原边，图1中变压器同名端电压为正，原边绕组电压等于Vin/2，SR1体二极管（或外加二极管）由于电压反偏截止，SR2导通。输入向输出传递能量，变压器被励磁，电感Lo的电流呈线性增加。

模式2：续流模式（t2～t3）。S1关断后经过设置的死区时间SR1导通，变压器原、副边电压为0。SR1、SR2全部导通，对电感电流进行续流，变压器短路，励磁电流维持不变。直到开关管S2导通时刻，该阶段结束。

模式3：传能模式（t3～t4）。该阶段从开关管S2导通开始，以S2关断结束。S2导通前，SR2已经关断，SR1依然开通。通过SR2体二极管（或外加二极管）和SR1本体进行续流，变压器原、副边电压为0。S2导通，电容C2的电压（输入电压的一半）直接加在变压器原边，图1中变压器同名端电压为负，原边绕组电压等于-Vin/2，SR2体二极管（或外加二极管）由于电压反偏截止，SR1导通。输入向输出传递能量，变压器去磁，电感Lo的电流呈线性增加。

模式4：续流模式（t4～t1）。S2关断后经过设置的死区时间SR2导通，变压器原、副边电压为0。SR1、SR2全部导通，对电感电流进行续流，变压器短路，励磁电流维持不变。模式4结束后进入下一个周期，继续从模式1开始。

2 电路参数

本次设计的电源模块参数如表1所示。

名称 参数值额定输入电压 48 V DC输入电压范围 36～60 V DC输出电压 28 V DC输出电流 5 A输出电压纹波 Vpp＜100 mV开关频率 400 kHz电源尺寸 57.9 mm×36.8 mm×12.7 mm

3 测试结果

图3为封装前后所设计的电源模块。

图3 电源模块封装前后

对所设计的电源进行测试，不同输入电压下轻载到满载的效率如图4所示。36 V输入、满载下效率最高，为0.94。相比较采用硅基功率器件的同等状态下的电源，400 kHz频率的硬开关下，使用氮化镓晶体管的电源效率较高。

图4 电源模块效率曲线

图5给出了额定电压48 V输入、满载输出状态下，输出电压的纹波波形。由于半桥电路的原边开关管的开关频率为400 kHz，输出端的纹波频率为800 kHz，输出电压纹波峰峰值与频率为反比关系，因此使用容值较小的贴片陶瓷电容可以满足输出电压纹波的要求，且贴片陶瓷电容封装较小，可有效减小电源尺寸，提高电源的功率密度。

图5 48 V输入下的电压纹波

图6给出了48 V输入电压下，负载由空载到满载的瞬态响应；图7给出了48 V输入电压下，负载由满载到空载的瞬态响应。可以看到，瞬态响应较快，原因是使用氮化镓晶体管提高了开关频率，相应的可以提高闭环系统的带宽。

图6 48 V输入，负载由空载到满载下输出电压交流波形

图7 48 V输入，负载由满载到空载下输出电压交流波形

4 结 论

本文以带有同步整流的硬开关半桥变换器为基本架构，使用氮化镓晶体管代替传统的硅基功率器件作为功率开关管和同步整流管，设计了一种高频DC/DC电源模块，分析主电路的基本工作原理，并搭建了试验电路。测试结果表明，使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件后可以提高开关频率，而不会带来效率的明显下降。同时，由于提高了开关频率，可以有效减小输出滤波器的体积，提高闭环系统带宽，减小电源体积，提升电源模块的功率密度。在此试验电路基础上如果对磁元件进行进一步优化，可实现500 W的输出功率。