一种基于分立的耗尽型GaN器件的快充电路的制作方法

一种基于分立的耗尽型gan器件的快充电路
技术领域
1.本发明涉及快充电路技术领域，特别是涉及一种基于分立的耗尽型gan器件的快充电路。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，消费者对手机充电器的要求越来越高，小体积高效率是消费者的主要诉求，快充技术应运而生，目前的快充技术主要采用的是如图1所示反激变换器，其中的主开关管s11目前主要有三种方案：1、直接使用高压si器件；2、使用e mode gan器件；3、使用d mode gan合封而成的cascode器件。
3.方案1的缺点是频率不能提高，损耗大，效率低；方案2的缺点是驱动电压范围比较窄，存在可靠性风险；方案3的缺点是合封使用的陶瓷基板贵，合封成本高，另外d mode gan和lv silicon器件存在电容匹配问题，调试不灵活。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于分立的耗尽型gan器件的快充电路。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于分立的耗尽型gan器件的快充电路，包括：交流电源、整流桥、输入电解电容、变压器、吸收电路、输出整流管、输出电容、负载、gan hemt管和低压silicon管；
7.所述交流电源与所述整流桥连接；所述整流桥与所述输入电解电容并联连接；所述输入电解电容的一端与所述吸收电路的一端连接，所述输入电解电容的另一端与所述低压silicon管的源极连接；所述低压silicon管的漏极与所述连接gan hemt管的源极连接；所述gan hemt管的漏极与所述吸收电路的另一端连接；所述变压器原边与所述吸收电路连接；所述变压器副边的一端与所述输出电容的一端连接，所述变压器副边的另一端与所述输出整流管的漏极连接；所述输出电容的另一端与所述输出整流管的源极连接；所述负载与所述输出电容并联连接。
8.可选地，所述gan hemt管的栅极和源极之间还连接有补偿电容。
9.可选地，所述整流桥包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；所述第一二极管的输入端与所述交流电源的输出端连接，所述第一二极管的输出端与所述第二二极管的输出端连接；所述第二二极管的输入端分别与所述交流电源的输出端以及第四二极管的输出端连接；所述第四二极管的输入端与所述第三二极管的输入端连接，所述第三二极管的输出端与所述第一二极管的输入端连接；所述第二二极管的输出端与所述输入电解电容的一端连接；所述第四二极管的输入端与所述输入电解电容的另一端连接。
10.可选地，所述吸收电路包括吸收电容、吸收电阻和第五二极管；所述吸收电容的一端分别与所述输入电解电容的一端以及所述吸收电阻的一端连接；所述第五二极管的输出端分别与所述吸收电容的另一端以及所述吸收电阻的另一端连接；所述第五二极管的输入端分别与所述变压器原边的一端以及所述gan hemt管的漏极连接；所述变压器原边的另一
端和所述吸收电阻的一端之间连接有电感。
11.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
12.(1)本发明用分立的高压d mode gan器件和低压silicon器件级联形式来取代图1中的s11，使用一个外置电容来补偿d mode gan器件和低压silicon器件之间结电容的不匹配，从而实现低压silicon工作在合理的电压区间。
13.(2)本发明使用的是氮化镓器件，寄生电容小，无反向恢复电荷，开关速度更快，开关损耗更低；本发明驱动低压si mosfet，驱动电压范围宽，可以工作在9v，最大可以工作在20v以上。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为现有快充技术电路原理图；
16.图2为本发明实施例基于分立的耗尽型gan器件的快充电路的原理图；
17.图3为本发明主要功率器件工作波形示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.如图2所示，本发明提供的一种基于分立的耗尽型gan器件的快充电路，包括：交流电源vin、整流桥、输入电解电容c
in
、变压器tr、吸收电路、输出整流管s3、输出电容co、负载r
load
、gan hemt管s2和低压silicon管s1。
21.所述交流电源vin与所述整流桥连接；所述整流桥与所述输入电解电容c
in
并联连接；所述输入电解电容c
in
的一端与所述吸收电路的一端连接，所述输入电解电容c
in
的另一端与所述低压silicon管s1的源极连接；所述低压silicon管s1的漏极与所述连接gan hemt管s2的源极连接；所述gan hemt管s2的漏极与所述吸收电路的另一端连接；所述变压器tr原边与所述吸收电路连接；所述变压器tr副边的一端与所述输出电容co的一端连接，所述变压器tr副边的另一端与所述输出整流管s3的漏极连接；所述输出电容co的另一端与所述输出整流管s3的源极连接；所述负载r
load
与所述输出电容co并联连接。
22.补偿电容c1飞跨在gan hemt管s2的栅源两极之间或者低压silicon管s1的漏源之间。
23.s2是耗尽型的gan hemt管，s1是低压silicon管，c1是匹配电容。驱动信号加到s1的栅源两端，当s1导通时，电流流过s2和s1沟道；当s1关断时，电流通过s2沟道给s1的输出
结电容(s1的漏源之间的结电容和漏栅之间的结电容)和补偿电容c1充电，当s1的栅源之间的电压vds_si上升到s2的阈值电压时，s2开始关断，此时电流同时给s2的输出结电容(s2的漏源之间的结电容和漏栅之间的结电容)和s1的输出结电容(s1的漏源之间的结电容和漏栅之间的结电容)充电，gan hemt管s2的漏源之间电压v
ds_gan
和低压管s1的漏源之间电压v
ds_si
同时上升，当电压v
ds_gan
+v
ds_si
电压上升到母线电压时，电流转移到负载，关断结束。
24.作为一个可选地实施例，所述整流桥包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4。所述第一二极管d1d1的输入端与所述交流电源vin的输出端连接，所述第一二极管d1的输出端与所述第二二极管d2的输出端连接；所述第二二极管d2的输入端分别与所述交流电源vin的输出端以及第四二极管d4的输出端连接；所述第四二极管d4的输入端与所述第三二极管d3的输入端连接，所述第三二极管d3的输出端与所述第一二极管d1的输入端连接；所述第二二极管d2的输出端与所述输入电解电容c
in
的一端连接；所述第四二极管d4的输入端与所述输入电解电容c
in
的另一端连接。
25.作为一个可选地实施例，所述吸收电路包括吸收电容c
clamp
、吸收电阻r
clamp
和第五二极管d5；所述吸收电容c
clamp
的一端分别与所述输入电解电容c
in
的一端以及所述吸收电阻r
clam
的一端连接；所述第五二极管d5的输出端分别与所述吸收电容c
clamp
的另一端以及所述吸收电阻r
clam
的另一端连接；所述第五二极管d5的输入端分别与所述变压器tr原边的一端以及所述gan hemt管s2的漏极连接；所述变压器tr原边的另一端和所述吸收电阻r
clam
的一端之间电感lr是变压器的等效漏感，是变压器的一部分。
26.二极管d1-d4组成输入整流桥，把输入交流电转化成直流电；c
in
为输入电解电容，负责存储能量；变压器tr负责把能量从原边传输到副边，并通过匝比关系降压；lr是变压器本身具有的漏感；d5、c
clamp
、r
clamp
组成rcd吸收电路，负责在s1、s2关断时吸收漏感lr上的能量，防止s1、s2上的电压过高而失效；s1是低压silicon器件，负责帮助开通、关断s2，s2是主开关管，负责高频开关把输入的直流信号转化为高频信号；s3是输出整流管，负责把副边的高频信号转化为直流信号；co是输出电容，负责存储能量并吸收高频噪音；r
load
是输出负载。
27.如图3所示，在t0时刻，开通s1，s1的栅电压v
g_s
i为高，变压器原边电感电流i
pri
从0线性上升,能量储存在原边电感上；在t1时刻，s1关断，s1的栅电压v
g_si
为低电平，原边电感电流通过gan的沟道给si器件的结电容充电，v
ds_si
电压从0开始上升，在t2时刻上升到v
th_gan
，也就是gan的阈值电压，gan开始关断，gan的漏源电压v
ds_gan
开始从0上升，当上升到v
in
+n
ps
*vo时，原边电流为0，原边能量通过变压器完全传递到副边电感，副边电感向负载传递能量，副边电流i
sec
从峰值点开始下降，到t3时刻副边电流下降到0。在t3时刻，变压器原边电感和s2的drain端的寄生电容谐振，s2与s1的漏源电压v
ds_gan
和v
ds_si
开始下降，在t4时刻下降到0，原边的s1开通，下一个工作周期开始。
28.本发明提出用分立的高压d mode gan器件和低压silicon器件级联形式来取代图1中的s11。另外针对电容匹配问题，本发明使用一个外置电容来补偿电容的不匹配，从而实现低压silicon工作在合理的电压区间。
29.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
30.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。