基于氮化镓的数字D类功放电路设计与实现_杨通元.pdf

设计研发2022.24210 引言目前，硅 MOS 管作为功率器件，在数字 D 类功放电路中应用非常多。然而，由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，使得半导体业重新考虑半导体所用设计和材料。随着多种更快、更小应用设备的不断涌现，硅材料已难以维持摩尔定律，使宽禁带半导体功率器件得到迅速发展1。宽禁带半导体被称为第三代半导体材料，是指禁带宽度大于 2.3eV 的半导体材料，其材料包括：A1N，GaN，BN，SiC，ZnO，金刚石等2-3。本文使用的氮化镓功率器件具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，并可与成本极低、技术成熟度极高的硅基半导体集成电路工艺相兼容，在新一代高效率、小尺寸的 5G 通讯、新能源汽车、工业电源等领域具有巨大的发展潜力。1 氮化镓数字 D 类功放电路原理数字 D 类功放电路采用氮化镓作为功率器件，具有高开关频率、低导通电阻和易驱动等特点4。数字 D 类功放电路原理：首先，把四路 PWM 信号通过隔离器，将驱动低压信号和功放输出的高压信号隔离，减少低压信号受到干扰，再通过专用驱动芯片驱动氮化镓，驱动芯片分离式输出，可单独调节开通电阻和关断电阻，精准控制驱动信号的死区时间5，从而提高功放效率和保证电路安全性；其次，采用 H 桥式电路，使四个氮化镓管子分别接四路驱动信号，让上下桥臂氮化镓管子驱动信号互补；最后，输出差分信号与滤波电路连接，滤波电路滤掉高频载波，输出需要的基波信号。2 应用电路原理图设计2.1 电路组成框图设计包括驱动电路、功放电路和滤波电路，输出 70W 功率，有效值 170V 的 1.7K 交流信号。下图 1 为本系统框图，采用 AD 调制方式的 PWM 波，驱动数字 D 类功放，直流供电电压280V，将需要的弱信号功率放大。调制频率为 250K，调制率为95%，基波信号 1.7K。隔离器将强电和弱电隔离，很好地保护弱电部分。用专用的驱动芯片驱动氮化镓管子，输出用两级LC 低通滤波。2.2 关键器件选型电路有三个主要组成部分，每一部分都需要选择合适的基于氮化镓的数字 D 类功放电路设计与实现杨通元（中国振华（集团）科技股份有限公司，贵州贵阳，550018）摘要：本文介绍一种基于氮化镓芯片设计的数字 D 类功放电路。通过使用开关速度快、寄生参数小、电气性能优越的氮化镓作为功率器件，设计一个数字 D 类功放电路，放大信号功率，用于检测轨道上是否有列车占用的信息。实验结果表明，高频载波通过功放器将信号功率放大，再通过 LC 低通滤波，输出低频解调信号，实测解调信号失真度小于-60dB，验证了该数字 D 类功放电路设计的可行性。关键字：氮化镓；数字 D 类功放；驱动电路；开关频率；低通滤波中图分类号：TN8 文献标识码：ADesignandimplementationofdigitalclassDpoweramplifierbasedongalliumnitrideYang Tongyuan(China Zhenhua(Group)Science&Technology Corp,Guiyang Guizhou,550018)Abstract:This paper introduces a kind of digital class D power amplifier based on gallium nitride chip.By using gallium nitride as a power device with fast switching speed,small parasitic parameters and superior electrical performance,a digital Class D power amplifier circuit is designed to amplify the signal power for the detection of train occupancy information on the track.The experimental results show that the high frequency carrier amplifies the signal power through the power amplifier,and then outputs the low-frequency demodulation signal through LC low-pass filtering.The demodulation signal distortion is less than-60dB,which verified the feasibility of the design of the digital class D power amplifier circuit.Keywords:GaN;Digital class D power amplifier;Gate drive circuit;Switching frequency;Low-pass filteringDOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.005设计研发2022.2422元器件，才能使电路可靠地工作。功率器件选择英诺赛科的氮化镓 INN650D01，氮化镓管子耐压 650V，导通电阻 130m，漏极最大电流 32A。驱动电路部分，主要是隔离器和驱动芯片，对于本设计 PWM 载波频率为 250K，所以选择的隔离器和驱动器工作频率必须大于 250K，隔离器选用芯动神州ushield1200，信号传输速率可达 100Mbps，隔离电压有效值3000V；驱动芯片选用瞻芯IVCR1801专用驱动芯片，4.5V20V供电电压满足氮化镓 5V 驱动电压要求，分离式开通和关断输出，能更好控制功率管死区时间，从而提高功放效率和系统安全性。输出电压失真度要求-60dB，设计了两级 LC 低通滤波，抑制谐波和滤除高频载波。滤波电感由于需要特定的感量和滤除指定频率的信号，所以另外设计，滤波电容选用一般薄膜电容。2.3 搭建电路仿真用 LTspice 仿真电路，首先搭建电路图，根据关键元器件型号，找对应的 LTspice 元器件模型，没有相同元器件可以找主要参数相似元器件代替。仿真电路（图 2）和仿真结果（图 3）。图 2 氮化镓功放仿真电路电路中 AD 调制的 PWM 波直接编程产生，驱动和隔离没有找到合适的芯片，直接用 PWM 波驱动使用氮化镓的 D 类数字功放电路，母线用 280V 供电，功放输出用两级 LC 低通滤波，输出低频信号。根据仿真结果显示，输出电压有效值 188V，频率 1.7K。输出电压值比设计电压高 18V，因为在实际电路设计中，考虑电路中的损耗，所以设计值略高，电路仿真输出符合设计要求。2.4 电路原理图设计2.4.1 驱动电路设计 驱动电路采用隔离加专用驱动芯片的电路结构，一个上下桥臂的驱动电路如图 4 所示，250K 调制信号 PWM1 通过圣邦微异或门芯片 SGM7SZ86 的 1 引脚输入，一路 PWM 信号保持不变从 4 引脚输出，另外一路 PWM 信号反向之后输出，产生 H 桥上下桥臂互补的 PWM 波。两路信号通过隔离芯片ushield1200 的 3 引脚输入，再从 6 引脚输出，隔离芯片将驱动电路前端和 H 桥隔离，保护元器件和减少干扰。最后从专用驱动芯片 6 引脚输入，驱动芯片的驱动信号分别从 2、3 脚输出。当功率管开通时，由 2 脚输出高电平驱动管子栅极，当功率管关闭时，通过 3 脚拉低驱动信号，开通和关断电路走不同回路，可以精确控制驱动死区时间，提高电路可靠性。芯片都是 5V 电压经过 100nF 电容滤波之后供电，隔离器后是隔离电源。U14 隔离器后端的地接 H 桥的一路输出端，供电电源通过二极管给芯片供电，形成自举电路。驱动芯片输出 5V 电压驱动功率管子。另外一对上下桥臂驱动信号原理一样。2.4.2 H 桥电路设计功放电路是要输出功率 70W，频率 1.7K，有效值 170V 的交流电压。如图 4 所示，使用氮化镓芯片 INN650D01-650V，搭建 H 桥电路，芯片的耐压 650V，漏极最大电流 32A，芯片参数都满足设计要求。四路 PWM 信号 G1、G2、G3、G4 分别驱动四个氮化镓，G1 和 G3、G2 和 G4 分别是互补的 PWM 波。当 G1和G4高电平时，BUS电压通过Q5、滤波器、负载、Q9形成回路，当 G2 和 G3 高电平时，BUS 电压通过 Q6、滤波器、负载、Q8图 1 电路基本框图图 3 氮化镓功放仿真结果设计研发2022.2423形成回路，将输出功率放大。图 5 H 桥电路图2.4.3 滤波电路设计H 桥输出信号是 250K 高频方波，需要将 250K 高频方波滤除，才能得到需要的 1.7K 正弦波。滤波之后输出的信号要求-60dB 的失真度，根据电路仿真结果，本文设计了两级输出LC 低通滤波，电路如图 6。截止频率公式:12fLC=前 级 滤 波 器 截 止 频 率139122.121.5 1034.5 10fK=22.121.5 1034.5 10fK=，抑 制 低 频 谐 波。后 级 滤 波 器 截 止 频 率239160.620.6 1011.5 10fK=239160.620.6 1011.5 10fK=，滤 除 250K 高 频 载波。经过两级 LC 低通滤波之后，输出 1.7K 正弦波。滤波电容选市面上能够买到的小容量薄膜电容，滤波电感没有合适的感量，所以自己设计。根据仿真值，需要 1.5mH和 0.6mH 的电感，电路需要滤除 250K的高频信号，选用高频磁芯材料铁粉芯。电路输出功率 70W，磁芯尺寸选较大一点，防止磁芯饱和。根据功率公式PUI=，计算输出信号峰值电流 0.6A，漆包线线径选择 0.3mm。根据网上查找资料，选择了君灿的 T130-2 磁芯，磁芯参数和制造要求如表 1 所示。表 1 磁芯参数和制造要求表厂家型号磁芯尺（mm）电感系数（nH/N2）感量（m）圈数（匝）线径（mm）君灿T130-233*19.8*11.1110.622370.3君灿T130-233*19.8*11.1111.53690.33 设计实物和测试结果3.1 设计实物展示前文中原理图已经设计完成，经过一段时间电路板布局，投板生产实物如图 7。电路板元器件焊接完成，为了减少干扰，将功放板放入一个屏蔽盒里面，盒子四周封闭，只留电源和信号接口。VIB3GND14VIA2GND25VOA7VDD28VDD11VOB6U14uShield1200OUTL3OUTH2VDD1IN+6IN-5GND4U15IVCR1801+5VOUTL3OUTH2VDD1IN+6IN-5GND4U19IVCR1801OUTP1VIB3GND14VIA2GND25VOA7VDD28VDD11VOB6U18uShield1200+5VOUTP15VOUTP1R-SMDR5751R(0805)R-SMDR5816R(0805)R-SMDR6051R(0805)R-SMDR6116R(0805)G1G3C-SMDC2910UF(1210)C32100nF(0805)C-SMDC-SMDC-SMDC33100nF(0805)C2810UF(1210)ValueD135V+5V+5V+5VPWM1PWM1ValueD14C-SMDC26100nF(0805)A1GND3B2Y4VCC5U13SGM7SZ86C-SMDC30100nF(0805)A1GND3B2Y4VCC5U17SGM7SZ86R-SMDR5910KGNDGNDGND48V_N48V_N48V_N48V_N48V_N48V_N图 4 驱动电路图图 6 滤波电路图设计研发2022.2424图 7 板子实物图3.2 测试结果根据产品要求，输出带 400 欧负载。在测试时，用 8 个50 欧