基于氮化鎵的數字D類功放電路設計與實現

楊通元

（中國振華（集團）科技股份有限公司，貴州貴陽，550018）

關鍵字：氮化鎵；數字D類功放；驅動電路；開關頻率；低通濾波

0 引言

目前，硅MOS管作為功率器件，在數字D類功放電路中應用非常多。然而，由于對高速、高溫和大功率半導體器件需求的不斷增長，使得半導體業重新考慮半導體所用設計和材料。隨著多種更快、更小應用設備的不斷涌現，硅材料已難以維持摩爾定律，使寬禁帶半導體功率器件得到迅速發展[1]。寬禁帶半導體被稱為第三代半導體材料，是指禁帶寬度大于2.3eV 的半導體材料，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、抗輻射能力強等優越性能，并可與成本極低、技術成熟度極高的硅基半導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、工業電源等領域具有巨大的發展潛力。

1 氮化鎵數字D類功放電路原理

數字D類功放電路采用氮化鎵作為功率器件，具有高開關頻率、低導通電阻和易驅動等特點[4]。數字D類功放電路原理：首先，把四路PWM信號通過隔離器，將驅動低壓信號和功放輸出的高壓信號隔離，減少低壓信號受到干擾，再通過專用驅動芯片驅動氮化鎵，驅動芯片分離式輸出，可單獨調節開通電阻和關斷電阻，精準控制驅動信號的死區時間[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，使四個氮化鎵管子分別接四路驅動信號，讓上下橋臂氮化鎵管子驅動信號互補；最后，輸出差分信號與濾波電路連接，濾波電路濾掉高頻載波，輸出需要的基波信號。

2 應用電路原理圖設計

2.1 電路組成框圖

設計包括驅動電路、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。下圖1為本系統框圖，采用AD調制方式的PWM波，驅動數字D類功放，直流供電電壓280V，將需要的弱信號功率放大。調制頻率為250K，調制率為95%，基波信號1.7K。隔離器將強電和弱電隔離，很好地保護弱電部分。用專用的驅動芯片驅動氮化鎵管子，輸出用兩級LC低通濾波。

圖1 電路基本框圖

2.2 關鍵器件選型

電路有三個主要組成部分，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，導通電阻130mΩ，漏極最大電流32A。驅動電路部分，主要是隔離器和驅動芯片，對于本設計PWM載波頻率為250K，所以選擇的隔離器和驅動器工作頻率必須大于250K，隔離器選用芯動神州ushield1200，信號傳輸速率可達100Mbps，隔離電壓有效值3000V；驅動芯片選用瞻芯IVCR1801專用驅動芯片，4.5V～20V供電電壓滿足氮化鎵5V驅動電壓要求，分離式開通和關斷輸出，能更好控制功率管死區時間，從而提高功放效率和系統安全性。輸出電壓失真度要求-60dB，設計了兩級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，所以另外設計，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，根據關鍵元器件型號，找對應的LTspice元器件模型，沒有相同元器件可以找主要參數相似元器件代替。仿真電路（圖2）和仿真結果（圖3）。

圖2 氮化鎵功放仿真電路

圖3 氮化鎵功放仿真結果

電路中AD調制的PWM波直接編程產生，驅動和隔離沒有找到合適的芯片，直接用PWM波驅動使用氮化鎵的D類數字功放電路，母線用280V供電，功放輸出用兩級LC低通濾波，輸出低頻信號。根據仿真結果顯示，輸出電壓有效值188V，頻率1.7K。輸出電壓值比設計電壓高18V，因為在實際電路設計中，考慮電路中的損耗，所以設計值略高，電路仿真輸出符合設計要求。

2.4 電路原理圖設計

2.4.1 驅動電路設計

驅動電路采用隔離加專用驅動芯片的電路結構，一個上下橋臂的驅動電路如圖4所示，250K調制信號PWM1通過圣邦微異或門芯片SGM7SZ86的1引腳輸入，一路PWM信號保持不變從4引腳輸出，另外一路PWM信號反向之后輸出，產生H橋上下橋臂互補的PWM波。兩路信號通過隔離芯片ushield1200的3引腳輸入，再從6引腳輸出，隔離芯片將驅動電路前端和H橋隔離，保護元器件和減少干擾。最后從專用驅動芯片6引腳輸入，驅動芯片的驅動信號分別從2、3腳輸出。當功率管開通時，由2腳輸出高電平驅動管子柵極，當功率管關閉時，通過3腳拉低驅動信號，開通和關斷電路走不同回路，可以精確控制驅動死區時間，提高電路可靠性。

芯片都是5V電壓經過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。驅動芯片輸出5V電壓驅動功率管子。另外一對上下橋臂驅動信號原理一樣。

2.4.2 H橋電路設計

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，芯片參數都滿足設計要求。四路PWM信號G1、G2、G3、G4分別驅動四個氮化鎵，G1和G3、G2和G4分別是互補的PWM波。當G1和G4高電平時，BUS電壓通過Q5、濾波器、負載、Q9形成回路，當G2和G3高電平時，BUS電壓通過Q6、濾波器、負載、Q8形成回路，將輸出功率放大。

圖4 驅動電路圖

圖5 H橋電路圖

2.4.3 濾波電路設計

H橋輸出信號是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要求-60dB的失真度，根據電路仿真結果，本文設計了兩級輸出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，所以自己設計。根據仿真值，需要1.5mH和0.6mH的電感，電路需要濾除250K的高頻信號，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，防止磁芯飽和。根據功率公式P=UI，計算輸出信號峰值電流0.6A，漆包線線徑選擇0.3mm。根據網上查找資料，選擇了君燦的T130-2磁芯，磁芯參數和制造要求如表1所示。

表1 磁芯參數和制造要求表

3 設計實物和測試結果

3.1 設計實物展示

前文中原理圖已經設計完成，經過一段時間電路板布局，投板生產實物如圖7。電路板元器件焊接完成，為了減少干擾，將功放板放入一個屏蔽盒里面，盒子四周封閉，只留電源和信號接口。

圖7 板子實物圖

3.2 測試結果

根據產品要求，輸出帶400歐負載。在測試時，用8個50歐負載串聯，用萬用表實測阻值398歐。每一個負載功率40W，通過絕緣墊片，涂上導熱硅脂粘貼在散熱片上。測試結果如圖8和圖9：根據實測結果：功放板能夠輸出1.7K，有效值170V的交流電壓，并且基波信號的諧波都小于-65dB。

圖8 功放輸出電壓波形

圖9 信號頻譜

4 結論

本文采用氮化鎵設計的數字D類功放電路，通過實際測試驗證，提高D類功放的開關頻率，同時也減少功放器的體積，并增大功率密度。根據輸出信號的頻譜圖分析，基波信號的諧波都在-65dB以下，使信號失真度滿足小于-60dB要求，極大提高了軌道上列車的安全性。