【应用】设计基于GaN FET的智能功率放大器模块

时间： 2021-09-21 来源：EPC

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在过去几年中，氮化镓 (GaN) FET在电力电子设备中应用地越来越普遍。由于GaN FET具有出色的特性，在具有超过100W/cm³或更高功率密度的开关变换器的小型化方面发挥着越来越重要的作用。基于GaN晶体管的变换器效率可达到99.5%。

由于转换频率向MHz范围扩展，磁性元件（扼流圈、变压器）的尺寸也显着减小。然而，设计人员在使用GaN晶体管设计时仍面临许多挑战。芯片家族成员是以晶圆级晶片尺寸封装形式呈现，驱动器也是微型的。

由于极快的开关速度，在优化栅极控制电路及其拓扑方面存在着重大问题。提醒一下，GaN FET没有可影响应用设计的常见的寄生二极管。考虑到相对于功率元件尺寸的电流和电压值，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。像以往一样，设计人员必须在“成本”、“效率”和“EMC”三个中选择两个，但对于GaN FET，与Si MOSFET相比，这种组合得到了扩展。

为了简化和加速许多设备（D级音频放大器、交流电流和电压校准器、电源调制器等）的开发进程，出现了创建一个具有以下参数的智能功率放大器模块（IPAM）的想法。

• 电源电压高达80V，输出电流高达20A

• 正弦输出功率 500W

• 效率 98%（半功率），96%（额定功率）

• 全功率带宽 0…50 kHz

• 主载波频率1MHz，内部转换频率高达10MHz

•THD小于0.01% (-1dB)

• 通过2线串行接口 (TWI) 进行诊断和参数设置

IPAM是一个由公共负反馈覆盖的全差分脉冲功率放大器。典型的载波频率约为1MHz，并且可能会根据输入电平、输出功率和负载阻抗在±50%内变化。一个高速精密比较器用作误差放大器。

该模块包含小型FPGA芯片。FPGA的第一个重要功能是产生额外的脉冲以获得最佳的放大器线性度。 FPGA的第二个功能是保持电源开关和输出扼流圈的安全工作模式，而不管输入模拟或 PWM 信号的参数如何。FPGA限制了调制指数和其他一些参数。当转换频率低于限制值时，FPGA会产生额外的脉冲，防止UVLO检测器因自举电容放电而触发。最小脉冲长度也受到限制，以符合驱动电路的要求。如果输入信号的参数符合引入的限制，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5ns，时间失真最小。所有参数均可通过TWI进行编程，并且可由用户废除。

由于IPAM原始的控制回路结构，它不依赖于THD+N与频率，并且对THD+N与输出功率的依赖性非常低。IPAM对于高达200-250W RMS的输出功率，在一般情况下不需要额外的散热器。

通过使用外层35μm Cu、内层70μm的六层PCB，以及过孔填充铜来解决散热问题。该模块安装在尺寸为 76x36x18 mm的CNC加工铝制外壳中。在最后阶段，使用具有非常高热导率的特殊陶瓷基化合物进行真空填充。

输出扼流圈的开发已经变成了一项单独的研发工作，由TDK/EPCos和Ferroxcube制造的最新高频功率铁氧体的参数需要研究。不幸的是，这些公司没有提供足够的数据来进行准确的计算。必须找到一种方法来制作具有不同间隙和不同匝数的样本并详细研究，这花了笔者一个多月的时间和相应的费用。最终，制造了具有20A线性电流范围和SRF>10 MHz的33μH小型扼流圈。不幸的是，世界工业企业不生产具有类似特性的扼流圈。

逼着还必须研究用于输出解调LC滤波器的各种薄膜电容器的真实特性，并选择具有聚苯硫醚电介质的产品。由于陶瓷电容器非常显著的非线性，不适合这些用途。特别需要注意的是为该功率级选择最佳的陶瓷隔直电容器。逼着不确定是否可以在没有矢量网络分析仪以及带有源探头的2GHz示波器，从几个燃烧试验开始的情况下完成这项工作。许多参考设计是“事物本身”，只能在您的实验室桌子上“按原样”工作，但不能在实际环境中工作，尤其是当它们被会产生EMI问题的外部连接所束缚时。笔者设法实现了开关电流的几乎所有高频分量都在模块内部循环。

如果您想获得高效率，并且不希望以后出现 EMI 问题，请仔细设计栅极驱动电路。强烈建议在开始自燃之前模拟添加寄生电感的电路。对于 GaN FET，在可靠的栅极控制和实际参数（效率、EMI）之间存在非常小的折衷。有可能找到一种方法来保持对栅级地可靠控制。建议使用铁氧体磁珠的几个奇妙特性，这些特性可用于一些不寻常的情况。由于极高的dV/dt和dI/dt，在运行期间模块的电源和信号接地之间会出现明显的电压尖峰。为TWI和ERR/ENA控制信号添加了电流隔离。

RGB LED指示多个故障的事实和原因。错误类型被编码在由长停顿隔开的一系列闪烁中。 IPAM 可以使用生成保护间隔的内置计时器进行自动重新初始化。

不带输出解调滤波器的通用两相模块正在开发中。它可用于具有不同拓扑结构（降压、升压或 LLC）的各种 DC/DC 变换器。可以构建具有相似参数的三相版本的电源模块。

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