基于GaN器件的半桥式固态射频电源应用研究
谭平平,桂成东,姜力铭,陈文光*
(南华大学 电气工程学院,湖南 衡阳 421001)
摘 要：随着电力电子行业的发展,射频电源对高效率、轻量化的要求逐渐提高。硅(Si)材料的理论极限,约束了Si功率器件在高频、高压及大功率等场所的应用。基于氮化镓(GaN)半导体材料制备的功率器件与Si器件相比,具有导通阻抗低、输入输出电容小等特性。基于这些特性,采用GaN管设计制作了一款开关频率为2 MHz的半桥式固态射频电源样机。通过电路的设计和优化,样机输出2 MHz的标准正弦波。样机的输出功率为14.9 W时,效率可达到95.5%,功率密度可达到78.9×10-3W/cm3。同时,采用专为射频电源生产的Si功率器件替换掉样机上的GaN器件,验证了GaN器件与Si器件相比,可大幅度提高半桥式固态射频电源的整机效率和功率密度。
关键词：射频电源;GaN功率器件;半桥变换器;开关电源
0 引 言
随着电力电子技术的发展，射频电源的应用领域已经拓展到半导体、工业镀膜以及医疗等各个方面[1]。目前，射频电源主要分为电子管射频电源和固态射频电源，相较于电子管射频电源，固态射频电源具有体积小、重量轻、利于整机小型化、工作电压低、耐冲击振动和寿命长等优点，但其稳定性和抗辐射性差，且输出功率低(不高于10 kW)，一般应用于低功率场合[2]。Si材料半导体的理论极限，使得Si基功率器件逐渐满足不了固态射频电源高效率、轻量化的要求。GaN作为第三代宽禁带半导体材料的代表，与硅材料相比具有更优异的物理特性，如更高的带隙能量、更高的临界击穿电场、更快的饱和漂移速度、更高的电子迁移率和更高的热导率[3]。故基于GaN制作的功率器件比Si功率器件具有更优异的器件特性，如导通阻抗低、输入输出电容小[4]。因此更适合应用于高频、高压、高温、大功率、高辐射的应用场合[5-8]。本文使用GaN功率器件作为半桥逆变电路的开关器件[9]，设计制作了一款开关频率为2 MHz的固态射频电源实验样机，验证了GaN器件可大幅度提高半桥式固态射频电源的效率和功率密度。
1 半桥式固态射频电源工作原理
半桥式固态射频电源电路的原理图如图1所示。两个桥臂Q1、D1和Q2、D2。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，两个电容的连接点为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。开关器件Q1和Q2通过相移180°且带有死区、最大输出占空比小于0.5的PWM(pulse-width modulation,PWM)波进行控制，在a、b端得到幅值为的方波信号；Lr和Cr为谐振电感和电容，通过谐振得到标准稳定的正弦波。Lm和Cm为阻抗匹配电感和电容，实现射频电源输出功率最大效率的传输到负载射频电源负载RL，RL一般为50 Ω。其中，Lr和Lm串联连接，因此实际应用中为一个电感L。图2为半桥射频电源理论工作波形图。
图1 半桥式射频电源电路原理图Fig.1 Schematic diagram of half-bridge RFpower supply circuit
图2 半桥射频电源工作波形图Fig.2 Half bridge RF power supply workingwaveform
Q1，Q2输出电压波形可描述为:
(1)
按傅里叶级数展开有：
(2)
其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为：
(3)
(4)
输出电流波形可描述为：
Io=Idsinωt
(5)
流过开关管Q1的电流可描述为：
(6)
流过开关管Q2的电流波形可描述为：
(7)
输入半桥变换器的电流为：
Id=IQ1+IQ2
(8)
实际应用中，开关管Q1和Q2的开通和关断速度受内部寄生参数的影响。如输入、输出电容容值较大时，器件的开通和关断速度较慢，会增加器件的损耗，损耗则以热能的形式存在，严重时损坏开关管。其次，Q1还未完全关断截止时，Q2开始导通，导致在相同时间段内两管直通短路，电流过大烧毁器件。为避免这种情况发生，设置死区时间[注]ZHANGX.HowtocalculateandminimizethedeadtimerequirementforIGBTsproperly.InfineonTechnologies,.保证两管一起关断的时间发生在状态转换之前，即Q1导通时要保证Q2完全截止，解决两管同时导通的问题。但死区时间过大，则导致开关管Uds波形畸变，增加开关损耗。开关频率越高的系统，器件的损耗越大。因此在高频电源中需要寄生参数小、开关速度快的功率器件，而GaN器件所具备的特性非常适合于高频电源的设计制作。
2 Cascode GaN管及其特性
GaN功率器件分为耗尽型和增强型。在电力电子领域中，增强型功率器件比耗尽型更安全，因此应用较多。本文使用的GaN管是Transphorm公司生产的增强型Cascode GaN晶体管TPH3202PD，其器件结构如图3所示[10-11]。低压增强型Si MOS管的漏极和源极分别与高压耗尽型GaN晶体管的源极和栅极相连，通过驱动低压Si MOS管来控制器件的通断。
TPH3202PD采用传统的TO-220直插封装，使焊接和器件散热更加方便。其阈值电压为2 V，在应用中不易出现误导通的危险，且沟道完全导通所需的驱动电压为8 V，而最大驱动电压为18 V，噪声容限为10 V，因此有利于驱动电路的设计。
图3 Cascode GaN管器件结构Fig.3 Cascode GaN transistor device structure
表1列出了TPH3202PD和IXYS公司专为射频电源生产的Si MOS管IXFH6N100F的主要参数。从表中数据可知，GaN管的导通阻抗仅为Si管的1/6，从而减小了导通损耗；GaN管的寄生电容也比Si管小很多，所以GaN管的开关速度快，开关损耗小。
表1 TPH3202PD和IXFH6N100F主要参数Table 1 Main parameters of TPH3202PD andIXFH6N100F
3 死区时间
本文使用TI公司生产的驱动芯片UCC21520，如图4所示。UCC21520是隔离式双通道栅极驱动器，具有4 A峰值拉电流和6 A峰值灌电流。该器件设计用于驱动高达5 MHz的功率开关器件，具有可编程死区时间的功能，在OUTA和OUTB的转换之间增加了一个用户可编程延时。启用时，所有转换都存在死区时间。根据公式(9)，死区时间延迟量通过DT引脚和地之间的单个电阻(RDT)进行设定。
DT=10×RDT
(9)
其中，DT单位为ns，RDT单位为kΩ。
图4 驱动芯片UCC21520Fig.4 Driver chip UCC21520
4 系统参数计算
如图1所示，在半桥式射频电源中，考虑开关管的导通阻抗Rds，电感的有效串联电阻(equivalent series resistance, ESR)Rl和电容的有效串联电阻Rc，则其总的寄生阻抗为R=Rds+Rl+Rc，因此总的谐振电阻为Rt=RL+R。因此Lr和Cr的值可通过公式(9),公式(10)计算得出[12-14]。
(9)
(10)
其中，Q为串联谐振电路品质因数，本文Q取5[15]；f为开关频率，为2 MHz。
Lm、Cm是阻抗匹配电感和电容，可通过公式(11)、(12)计算得出[12-14]。实际应用中，由于寄生阻抗R和负载RL已知，利用Smith圆图可直接得到Lm、Cm的值[16]。
XLm=jωLm
(11)
XCm=1/(jωCm)
(12)
5 实验验证
通过分析，本文搭建了一款开关频率为2 MHz的半桥式射频电源样机，通过测量GaN器件与Si器件设计制作的样机的实验数据，验证了GaN器件的开关速度快、损耗低，应用于射频电源中可大幅度提高整机效率和功率密度。
表2列出了样机的器件参数。其中，Cr为谐振电容C1和C2的和，Cm为匹配电容，L为谐振电感和匹配电感之和。由于理论计算的参数值是基于理想情况下，因此最终样机的器件参数值与理论计算的参数值有偏差。
表2 样机器件参数Tablel 2 Prototype device parameters
射频信号源采用STM32单片机产生两路互补频率为2 MHz、幅值为3.3 V、占空比50%的方波信号，如图5所示。由表1可知，可选择同一款驱动芯片将单片机产生的方波信号的幅值放大至12 V，从而驱动开关管。第3节已对驱动芯片进行了描述。GaN器件选用Transphorm公司生产的TPH3202PD，TO-220封装；Si器件选用IXYS公司生产的IXFH6N100F，TO-247封装。
图5 射频信号源波形图Fig.5 RF signal source waveform
图6所示为实验样机。实验过程中，在相同工作条件下，IXFH6N100F容易发热，所以需要加入了散热片进行散热，如图6(b)所示，因此增加了样机的体积。GaN器件设计制作的样机，如图6(a)所示，尺寸为108 mm×58.3 mm×30 mm，Si器件设计制作的样机尺寸为108.8 mm×68.1 mm×30 mm。
图7所示为样机栅极驱动波形图。从图7(b)中可以看出，由于寄生电容的影响，Si器件不能进行快速的开通和关断。而且波形有很多的毛刺，会影响电路工作的稳定性。
图8所示为样机死区时间测量图。通过在驱动芯片UCC21520的DT引脚和地之间连接了一个1 kΩ的电阻RT来设定两开关管的死区时间，为10 ns。从图8(a)中可以看出，GaN样机中Q1导通时Q2已经完全截止，解决了两管同时导通的问题。而图8(b)中可以看出，Si样机中Q1导通时Q2还未完全截止，出现了短暂的两管直通情况，造成开关管发热严重。所以Si样机中需要设定更大的死区时间，从而增加了开关损耗。
图6 实验样机Fig.6 Experimental prototype
图7 栅极驱动信号波形图Fig.7 Gate drive signal waveform
图8 死区时间测量图Fig.8 Dead time measurement chart
图9为样机工作时，负载端电压波形图。从图中可以看出，负载上得到了非常标准的正弦信号。在实际调试测量过程中，输入电压Ud为30 V时，Si器件样机负载端电压周期均方根值比GaN器件样机小3 V左右。
图9 样机输出电压波形图Fig.9 Prototype output voltage waveform
表3为样机驱动芯片功耗数据。其中，Uin为驱动芯片输入电压，Iin为输入电流，Pin为输入功率。驱动芯片将单片机产生的方波信号的幅值放大至12 V用来驱动开关管导通和关断。从表中数据可知，由于Si器件的寄生电容大，需要从驱动芯片供电端获得更大的电流进行充放电。所以Si器件设计制作的样机，在相同的工作条件下，驱动芯片的功耗比GaN器件的大一倍。
表3 样机驱动芯片功耗Table 3 Prototype driver chip power consumption
表4为样机工作时测量的实验数据。其中，Ud为输入电压，Iin为输入电流，Po为输出功率，η为效率，M为功率密度。
表4 样机实验数据Table 4 Prototype experimental >
6 结 论
本文采用GaN器件设计制作了一款开关频率为2 MHz的半桥式固态射频电源样机，来验证GaN器件在射频电源应用中的优势。GaN器件的输入、输出电容小，使得器件的开关频率可以达到上MHz；导通阻抗低，减小了器件的导通损耗，降低了整个电源系统的损耗，从而提高了整个系统的效率和功率密度。通过合理设计电路及器件的参数，样机正常工作时，负载端输出标准的2 MHz正弦波。在相同工作条件下，由于GaN器件自身损耗非常低，样机的整机效率可达到95.5%，功率密度可达到78.9×10-3W/cm3。而传统的Si基功率器件设计制作的射频电源的整机效率为80.2%，功率密度为44.9×10-3W/cm3。因此GaN器件可大幅度提高电源的整机效率和功率密度，更适合应用于射频电源中。
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ApplicationResearchofHalf-bridgeSolid-stateRFPowerSupplyBasedonGaNDevices
TANPingping,GUIChengdong,JIANGLiming,CHENWenguang*
(School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)
Abstract：With the development of the power electronics industry,the requirements for high efficiency and light weight of RF power sources have gradually increased.The theoretical limits of silicon (Si) materials constrain the application of Si power devices in high frequency,high voltage and high power pared with Si devices,power devices fabricated based on gallium nitride (GaN) semiconductor materials have lower on-resistance and smaller input-output capacitance.Based on these characteristics,a half-bridge solid-state RF power supply with a switching frequency of 2 MHz was designed using a GaN tube design.Through the design and optimization of the circuit,the prototype outputs a standard sine wave of 2 MHz.When the output power of the prototype is 14.9 W,the efficiency can reach 95.5%,and the power density can reach 78.9×10-3W/cm3.And,by replacing the GaN device on the prototype with the Si power device produced for the RF power supply,it is verified that the GaN device can greatly improve the overall efficiency and power density of the half-bridge solid-state RF power supply compared with the Si device.
keywords：RF power supply;GaN power device;half-bridge converter;switching powersupply
