[发明专利]一种基于GaN的高效率高功率密度隔离DC‑DC变换电路

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于GaN的高效率高功率密度隔离DC-DC变换电路，尤其涉及一种应用GaN器件的宽范围输入，恒定输出的隔离DC-DC降压电路。

背景技术

DC-DC电源在军事、工业以及日常生活中都有着极其广泛的应用，但现在的DC-DC变换器大都效率不是特别理想，而且效率低主要因为电力电子开关器件不理想导致，如果采用开关特性更好的器件，将对提高DC-DC变换器效率有着极大的好处，对于节能环保具有重要意义。DC-DC变换器必须能在输入电压范围内及不同负载条件下稳定运行，大部分场合需要隔离型DC-DC变换器，所以研究隔离型高效率的DC-DC变换器方案十分必要。

高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中，属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。研究设计高效高功率密度DC-DC变换器，对应对能源短缺及气候变化等问题，推动“中国智能制造2025”的发展具有重要意义。

为了使变换器具有更高的功率密度、高可靠性、低噪声和快速响应能力，必须提高电力电子电路开关频率。但由于电力电子开关器件的开关损耗与开关频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗越大，变换器的效率也就越难提高。

以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。

GaN MOSFET通过MOS结构增大栅极势垒高度，从而提高栅击穿电压，降低栅泄漏电流。除此之外，GaN MOSFET器件还降低了开启功耗，由于较小的输入电容，得到了更高的电流关断频率，这在军用和民用领域都有很大的研究意义。

达95％以上的变换效率，还需要尽可能高的功率密度和效率。于是相比于平常的开关电源，变换器开关频率要大大提高。

提高工作频率使开关电源的体积大大减小，功率密度增加。但是在效率相同的情况下，功率密度提高就意味着单位体积需要散发更多的热量。因此，效率的提高是电源小型化的一个重要条件。高效率高功率密度是电力电子产品的一个重要发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出一种基于GaN的高效率高功率密度的隔离型DC-DC变换电路，该变换器应用GaN器件，结构简单、效率高、功率密度高，具有较大的输入调节范围，稳定的输出电压。

本发明的基于GaN的高效率高功率密度隔离DC-DC变换电路，包括LLC半桥软开关、谐振电感、谐振电容、匝比N:1:1的变压器、及输出整流；所述的LLC半桥软开关采用GaN MOSFET半桥，采用GaN器件GS66502B，所述的输出整流采用GaN MOSFET并联同步整流，采用GaN器件GS61004B，该电路还包括滤波电容、Fly-back辅助电源电路、集成LLC控制UCC25600芯片电路、驱动UCC27714电路、光耦及输出反馈PI调节电路、PEM-2-S12-S5-D电压转换电路、UCC24610同步整流控制电路；

滤波电容与GaN MOSFET半桥并联连接300-400V输入电压，UCC25600芯片采集谐振电流，其输出端连接UCC27714电路，UCC27714电路的两路输出各通过一个脉冲驱动变压器与GaN MOSFET半桥中的两个开关管栅极相连，Fly-back辅助电源电路从输入直流母线取电，用于将300-400V的输入电压转化为12V为原边芯片UCC25600和UCC27714供电，UCC24610芯片用于给GaN MOSFET并联同步整流电路提供驱动信号，PEM-2-S12-S5-D电压转换电路用于将原边的12V转化为5V为UCC24610芯片供电，基于431的输出反馈PI调节电路通过光耦反馈到原边控制芯片UCC25600。

上述技术方案中，进一步的，所述的脉冲驱动变压器采用EP7磁芯，初级电感值为2mH，匝比为1:1。

进一步的，所述的LLC谐振电路选定谐振频率：160kHz；输出电容：2200uF，取m＝5，满载时品质因数为Q_e＝0.288，选取谐振电容为24nF，谐振电感为L_r＝40.2μL，主变压器励磁电感L_m＝201μL。

进一步的，所述的变压器采用铁氧体PQ3220型磁芯，谐振电感采用PQ2020磁芯。