本發(fā)明涉及自動(dòng)控制，具體涉及一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路、電源變換系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，無論在航空航天、電動(dòng)汽車車載充電器還是通信電源領(lǐng)域，對(duì)開關(guān)電源提出了更高的要求，高可靠、高效率和高功率密度成為開關(guān)電源永恒的追求。提高開關(guān)電源的效率主要從兩點(diǎn)出發(fā)：一是對(duì)電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，二是選擇損耗更低的開關(guān)器件和磁性器件。同理，提高變換器的功率密度一方面可以選擇具有更快開關(guān)速度的功率器件，另一方面可減少磁性元器件體積。而這兩點(diǎn)的核心關(guān)鍵是具有更高開關(guān)速度和更低損耗的開關(guān)器件。功率器件作為電源系統(tǒng)的核心元件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低耗節(jié)能、高可靠性和低成本電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其可靠的關(guān)斷和開啟，影響著整個(gè)電源產(chǎn)品的安全運(yùn)行。

2、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，硅基功率器件的性能已逐漸接近材料限制邊界。氮化鎵（gallium?nitride，gan）等寬帶隙半導(dǎo)體材料是近二十年興起的新一代半導(dǎo)體材料，具有很多性能優(yōu)勢(shì)。與si材料的物理特性相比，gan材料具有禁帶寬度寬、熔點(diǎn)高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和漂移速度快等優(yōu)點(diǎn)，gan功率器件可用于實(shí)現(xiàn)高頻、高效和高功率密度的開關(guān)電源。

3、為提高效率，高密度電源產(chǎn)品原邊開關(guān)采用gan功率器件替代傳統(tǒng)的si基功率器件，輸出端也采用具有同步整流功能的次級(jí)整流拓?fù)?。然而，現(xiàn)有的gan器件及驅(qū)動(dòng)電路基本采用進(jìn)口元器件實(shí)現(xiàn)。在國(guó)產(chǎn)化的背景下，需要一種采用分立器件設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，以適應(yīng)空間應(yīng)用的gan開關(guān)驅(qū)動(dòng)需求。此外，gan功率器件與傳統(tǒng)硅基器件相比，具有閾值電壓低、柵源電壓可控范圍小和寄生參數(shù)高敏感性的特點(diǎn)，容易導(dǎo)致器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)的噪聲或擾動(dòng)而發(fā)生誤開啟，降低系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)一種能夠維持gan正常工作并保證柵壓有足夠大安全裕度的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其目的在于設(shè)計(jì)一種能夠維持gan正常工作并保證柵壓有足夠大安全裕度的驅(qū)動(dòng)電路。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，包括：

4、一個(gè)高頻變壓器t1，用于對(duì)pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離；

5、一個(gè)負(fù)壓產(chǎn)生電容c3，連接至所述高頻變壓器的次級(jí)側(cè)，用于生成關(guān)斷負(fù)壓；

6、至少一個(gè)鉗位二極管d3，與高頻變壓器的次級(jí)側(cè)和負(fù)壓產(chǎn)生電容并聯(lián)，用于穩(wěn)定產(chǎn)生的負(fù)壓；

7、所述電路通過上述組件配合，在gan功率器件的柵極產(chǎn)生?-0.5v的負(fù)壓，加速gan器件的關(guān)斷速度，提升轉(zhuǎn)換效率，并保證系統(tǒng)在高頻條件下不受寄生參數(shù)引起的振蕩影響而誤動(dòng)作。

8、進(jìn)一步的，還包括：

9、一個(gè)或多個(gè)三極管，用于輔助控制和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

10、一個(gè)或多個(gè)電阻和電容，用于進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形的形狀和穩(wěn)定性。

11、進(jìn)一步的，所述高頻變壓器具有特定的變比，用于將pwm控制芯片輸出的較高電壓降低到適合gan器件驅(qū)動(dòng)的較低電壓范圍。

12、進(jìn)一步的，所述負(fù)壓產(chǎn)生電容和鉗位二極管的設(shè)計(jì)能夠確保gan功率器件在整個(gè)關(guān)斷周期內(nèi)處于安全關(guān)閉狀態(tài)，消除誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。

13、進(jìn)一步的，該電路適用于航天器應(yīng)用環(huán)境，具有高可靠性和抗單粒子效應(yīng)的能力，不會(huì)受到空間環(huán)境的影響。

14、進(jìn)一步的，該電路應(yīng)用于原邊輸入電壓為20v?～?50v。

15、進(jìn)一步的，所述電源模塊采用諧振正激隔離拓?fù)?，主功率變壓器使用東磁公司生產(chǎn)的ec型變壓器，磁芯材料為dmr50b高頻磁材。

16、進(jìn)一步的，所述電源模塊中的mos管和同步整流mos管均選擇國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的200v系列g(shù)an管，以提升轉(zhuǎn)換效率。

17、進(jìn)一步的，該系統(tǒng)適用于需要高可靠性、高效率和高功率密度的應(yīng)用場(chǎng)景，特別是航空航天領(lǐng)域。

18、進(jìn)一步的，通過提供?-0.5v的負(fù)壓來確保gan功率器件的可靠關(guān)斷，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和可靠性。

19、本發(fā)明所達(dá)到的有益效果為：

20、一種電源變換系統(tǒng)，通過引入負(fù)壓產(chǎn)生電路，gan功率器件能夠在關(guān)斷時(shí)獲得?-0.5v左右的穩(wěn)定負(fù)壓，這有助于加速gan器件的關(guān)斷速度，減少開關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路后，電源模塊的轉(zhuǎn)換效率在額定工況下達(dá)到了92%?，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品提高了7個(gè)百分點(diǎn)以上。

21、本發(fā)明一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，由于gan功率器件具有更快的開關(guān)速度和更低的寄生參數(shù)，使得電源系統(tǒng)可以在更高的頻率下工作。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路支持開關(guān)頻率由300khz提升至800khz以上，從而減少了磁性元件的體積，提升了整個(gè)系統(tǒng)的功率密度，相較于上一代產(chǎn)品提升了一倍。

22、本發(fā)明一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，gan功率器件的閾值電壓較低，容易受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)噪聲或擾動(dòng)的影響而發(fā)生誤開啟。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)負(fù)壓產(chǎn)生電容和鉗位二極管電路，確保在高頻條件下，寄生參數(shù)引起的振蕩不會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，該電路在關(guān)斷周期內(nèi)將vgs電壓保持在低于0v的狀態(tài)，進(jìn)一步消除了誤導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

23、本發(fā)明一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，本發(fā)明的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路完全基于分立器件設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單可靠，具有高抗干擾能力和良好的環(huán)境適應(yīng)性。特別是在航天器應(yīng)用環(huán)境中，該電路對(duì)單粒子效應(yīng)不敏感，不受空間輻射的影響，經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，證明其能夠滿足航天器產(chǎn)品的高可靠性要求。

24、本發(fā)明一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，現(xiàn)有的gan器件及驅(qū)動(dòng)電路多依賴進(jìn)口元器件，而在國(guó)產(chǎn)化的背景下，本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的分立器件設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路。這一突破不僅降低了成本，還提升了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自主可控能力，推動(dòng)了高性能電源變換系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步。

25、本發(fā)明一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，通過采用本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路，新一代150w系列g(shù)an電源模塊產(chǎn)品不僅在性能上有了顯著提升，還在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品的高效能、高可靠性和高功率密度使其適用于多種高端應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天、電動(dòng)汽車、通信設(shè)備等，為用戶提供了更好的選擇。

技術(shù)特征：

1.一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述高頻變壓器具有特定的變比，用于將pwm控制芯片輸出的較高電壓降低到適合gan器件驅(qū)動(dòng)的較低電壓范圍。

4.根據(jù)權(quán)利要求3中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述負(fù)壓產(chǎn)生電容和鉗位二極管的設(shè)計(jì)能夠確保gan功率器件在整個(gè)關(guān)斷周期內(nèi)處于安全關(guān)閉狀態(tài)，消除誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，該電路適用于航天器應(yīng)用環(huán)境，具有高可靠性和抗單粒子效應(yīng)的能力，不會(huì)受到空間環(huán)境的影響。

6.根據(jù)權(quán)利要求5中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，該電路應(yīng)用于原邊輸入電壓為20v～50v。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述電源模塊采用諧振正激隔離拓?fù)?，主功率變壓器使用東磁公司生產(chǎn)的ec型變壓器，磁芯材料為dmr50b高頻磁材。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述電源模塊中的mos管和同步整流mos管均選擇國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的200v系列g(shù)an管，以提升轉(zhuǎn)換效率。

9.一種包含如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路的電源變換系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)用于需要高可靠性、高效率和高功率密度的應(yīng)用場(chǎng)景。

10.一種利用如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路的方法，其特征在于，通過提供-0.5v的負(fù)壓來確保gan功率器件的可靠關(guān)斷，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和可靠性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)壓產(chǎn)生電路、電源變換系統(tǒng)和方法。包括：一個(gè)高頻變壓器，用于對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離；一個(gè)負(fù)壓產(chǎn)生電容，連接至所述高頻變壓器的次級(jí)側(cè)，用于生成關(guān)斷負(fù)壓；至少一個(gè)鉗位二極管，與高頻變壓器的次級(jí)側(cè)和負(fù)壓產(chǎn)生電容并聯(lián)，用于穩(wěn)定產(chǎn)生的負(fù)壓。通過引入負(fù)壓產(chǎn)生電路，GaN功率器件能夠在關(guān)斷時(shí)獲得?0.5V左右的穩(wěn)定負(fù)壓，這有助于加速GaN器件的關(guān)斷速度，減少開關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路后，電源模塊的轉(zhuǎn)換效率在額定工況下達(dá)到了92%，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品提高了7個(gè)百分點(diǎn)以上。

技術(shù)研發(fā)人員：李林,明旭東,趙雷,趙建偉,王磊,劉善宗,姜文宇,趙建樹,國(guó)鳳娟,劉楊楊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東航天電子技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15