基于氮化鎵的數(shù)字D類功放電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊通元

（中國振華（集團(tuán)）科技股份有限公司，貴州貴陽，550018）

關(guān)鍵字：氮化鎵；數(shù)字D類功放；驅(qū)動(dòng)電路；開關(guān)頻率；低通濾波

0 引言

目前，硅MOS管作為功率器件，在數(shù)字D類功放電路中應(yīng)用非常多。然而，由于對(duì)高速、高溫和大功率半導(dǎo)體器件需求的不斷增長，使得半導(dǎo)體業(yè)重新考慮半導(dǎo)體所用設(shè)計(jì)和材料。隨著多種更快、更小應(yīng)用設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，硅材料已難以維持摩爾定律，使寬禁帶半導(dǎo)體功率器件得到迅速發(fā)展[1]。寬禁帶半導(dǎo)體被稱為第三代半導(dǎo)體材料，是指禁帶寬度大于2.3eV 的半導(dǎo)體材料，其材料包括： A1N，GaN，BN，SiC，ZnO，金剛石等[2-3]。本文使用的氮化鎵功率器件具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，并可與成本極低、技術(shù)成熟度極高的硅基半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，在新一代高效率、小尺寸的5G通訊、新能源汽車、工業(yè)電源等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 氮化鎵數(shù)字D類功放電路原理

數(shù)字D類功放電路采用氮化鎵作為功率器件，具有高開關(guān)頻率、低導(dǎo)通電阻和易驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)[4]。數(shù)字D類功放電路原理：首先，把四路PWM信號(hào)通過隔離器，將驅(qū)動(dòng)低壓信號(hào)和功放輸出的高壓信號(hào)隔離，減少低壓信號(hào)受到干擾，再通過專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)氮化鎵，驅(qū)動(dòng)芯片分離式輸出，可單獨(dú)調(diào)節(jié)開通電阻和關(guān)斷電阻，精準(zhǔn)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間[5]，從而提高功放效率和保證電路安全性；其次，采用H橋式電路，使四個(gè)氮化鎵管子分別接四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓上下橋臂氮化鎵管子驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)；最后，輸出差分信號(hào)與濾波電路連接，濾波電路濾掉高頻載波，輸出需要的基波信號(hào)。

2 應(yīng)用電路原理圖設(shè)計(jì)

2.1 電路組成框圖

設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)電路、功放電路和濾波電路，輸出70W功率，有效值170V的1.7K交流信號(hào)。下圖1為本系統(tǒng)框圖，采用AD調(diào)制方式的PWM波，驅(qū)動(dòng)數(shù)字D類功放，直流供電電壓280V，將需要的弱信號(hào)功率放大。調(diào)制頻率為250K，調(diào)制率為95%，基波信號(hào)1.7K。隔離器將強(qiáng)電和弱電隔離，很好地保護(hù)弱電部分。用專用的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)氮化鎵管子，輸出用兩級(jí)LC低通濾波。

圖1 電路基本框圖

2.2 關(guān)鍵器件選型

電路有三個(gè)主要組成部分，每一部分都需要選擇合適的元器件，才能使電路可靠地工作。功率器件選擇英諾賽科的氮化鎵INN650D01，氮化鎵管子耐壓650V，導(dǎo)通電阻130mΩ，漏極最大電流32A。驅(qū)動(dòng)電路部分，主要是隔離器和驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)于本設(shè)計(jì)PWM載波頻率為250K，所以選擇的隔離器和驅(qū)動(dòng)器工作頻率必須大于250K，隔離器選用芯動(dòng)神州ushield1200，信號(hào)傳輸速率可達(dá)100Mbps，隔離電壓有效值3000V；驅(qū)動(dòng)芯片選用瞻芯IVCR1801專用驅(qū)動(dòng)芯片，4.5V～20V供電電壓滿足氮化鎵5V驅(qū)動(dòng)電壓要求，分離式開通和關(guān)斷輸出，能更好控制功率管死區(qū)時(shí)間，從而提高功放效率和系統(tǒng)安全性。輸出電壓失真度要求-60dB，設(shè)計(jì)了兩級(jí)LC低通濾波，抑制諧波和濾除高頻載波。濾波電感由于需要特定的感量和濾除指定頻率的信號(hào)，所以另外設(shè)計(jì)，濾波電容選用一般薄膜電容。

2.3 搭建電路仿真

用LTspice仿真電路，首先搭建電路圖，根據(jù)關(guān)鍵元器件型號(hào)，找對(duì)應(yīng)的LTspice元器件模型，沒有相同元器件可以找主要參數(shù)相似元器件代替。仿真電路（圖2）和仿真結(jié)果（圖3）。

圖2 氮化鎵功放仿真電路

圖3 氮化鎵功放仿真結(jié)果

電路中AD調(diào)制的PWM波直接編程產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)和隔離沒有找到合適的芯片，直接用PWM波驅(qū)動(dòng)使用氮化鎵的D類數(shù)字功放電路，母線用280V供電，功放輸出用兩級(jí)LC低通濾波，輸出低頻信號(hào)。根據(jù)仿真結(jié)果顯示，輸出電壓有效值188V，頻率1.7K。輸出電壓值比設(shè)計(jì)電壓高18V，因?yàn)樵趯?shí)際電路設(shè)計(jì)中，考慮電路中的損耗，所以設(shè)計(jì)值略高，電路仿真輸出符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 電路原理圖設(shè)計(jì)

2.4.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用隔離加專用驅(qū)動(dòng)芯片的電路結(jié)構(gòu)，一個(gè)上下橋臂的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，250K調(diào)制信號(hào)PWM1通過圣邦微異或門芯片SGM7SZ86的1引腳輸入，一路PWM信號(hào)保持不變從4引腳輸出，另外一路PWM信號(hào)反向之后輸出，產(chǎn)生H橋上下橋臂互補(bǔ)的PWM波。兩路信號(hào)通過隔離芯片ushield1200的3引腳輸入，再從6引腳輸出，隔離芯片將驅(qū)動(dòng)電路前端和H橋隔離，保護(hù)元器件和減少干擾。最后從專用驅(qū)動(dòng)芯片6引腳輸入，驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從2、3腳輸出。當(dāng)功率管開通時(shí)，由2腳輸出高電平驅(qū)動(dòng)管子?xùn)艠O，當(dāng)功率管關(guān)閉時(shí)，通過3腳拉低驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開通和關(guān)斷電路走不同回路，可以精確控制驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，提高電路可靠性。

芯片都是5V電壓經(jīng)過100nF電容濾波之后供電，隔離器后是隔離電源。U14隔離器后端的地接H橋的一路輸出端，供電電源通過二極管給芯片供電，形成自舉電路。驅(qū)動(dòng)芯片輸出5V電壓驅(qū)動(dòng)功率管子。另外一對(duì)上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)原理一樣。

2.4.2 H橋電路設(shè)計(jì)

功放電路是要輸出功率70W，頻率1.7K，有效值170V的交流電壓。如圖4所示，使用氮化鎵芯片INN650D01-650V，搭建H橋電路，芯片的耐壓650V，漏極最大電流32A，芯片參數(shù)都滿足設(shè)計(jì)要求。四路PWM信號(hào)G1、G2、G3、G4分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)氮化鎵，G1和G3、G2和G4分別是互補(bǔ)的PWM波。當(dāng)G1和G4高電平時(shí)，BUS電壓通過Q5、濾波器、負(fù)載、Q9形成回路，當(dāng)G2和G3高電平時(shí)，BUS電壓通過Q6、濾波器、負(fù)載、Q8形成回路，將輸出功率放大。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

圖5 H橋電路圖

2.4.3 濾波電路設(shè)計(jì)

H橋輸出信號(hào)是250K高頻方波，需要將250K高頻方波濾除，才能得到需要的1.7K正弦波。濾波之后輸出的信號(hào)要求-60dB的失真度，根據(jù)電路仿真結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了兩級(jí)輸出LC低通濾波，電路如圖6。

圖6 濾波電路圖

濾波電容選市面上能夠買到的小容量薄膜電容，濾波電感沒有合適的感量，所以自己設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真值，需要1.5mH和0.6mH的電感，電路需要濾除250K的高頻信號(hào)，選用高頻磁芯材料鐵粉芯。電路輸出功率70W，磁芯尺寸選較大一點(diǎn)，防止磁芯飽和。根據(jù)功率公式P=UI，計(jì)算輸出信號(hào)峰值電流0.6A，漆包線線徑選擇0.3mm。根據(jù)網(wǎng)上查找資料，選擇了君燦的T130-2磁芯，磁芯參數(shù)和制造要求如表1所示。

表1 磁芯參數(shù)和制造要求表

3 設(shè)計(jì)實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)物展示

前文中原理圖已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，經(jīng)過一段時(shí)間電路板布局，投板生產(chǎn)實(shí)物如圖7。電路板元器件焊接完成，為了減少干擾，將功放板放入一個(gè)屏蔽盒里面，盒子四周封閉，只留電源和信號(hào)接口。

圖7 板子實(shí)物圖

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)產(chǎn)品要求，輸出帶400歐負(fù)載。在測(cè)試時(shí)，用8個(gè)50歐負(fù)載串聯(lián)，用萬用表實(shí)測(cè)阻值398歐。每一個(gè)負(fù)載功率40W，通過絕緣墊片，涂上導(dǎo)熱硅脂粘貼在散熱片上。測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9：根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果：功放板能夠輸出1.7K，有效值170V的交流電壓，并且基波信號(hào)的諧波都小于-65dB。

圖8 功放輸出電壓波形

圖9 信號(hào)頻譜

4 結(jié)論

本文采用氮化鎵設(shè)計(jì)的數(shù)字D類功放電路，通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，提高D類功放的開關(guān)頻率，同時(shí)也減少功放器的體積，并增大功率密度。根據(jù)輸出信號(hào)的頻譜圖分析，基波信號(hào)的諧波都在-65dB以下，使信號(hào)失真度滿足小于-60dB要求，極大提高了軌道上列車的安全性。