基于氮化镓的数字D类功放电路设计与实现

杨通元

（中国振华（集团）科技股份有限公司，贵州贵阳，550018）

关键字：氮化镓；数字D类功放；驱动电路；开关频率；低通滤波

0 引言

目前，硅MOS管作为功率器件，在数字D类功放电路中应用非常多。然而，由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，使得半导体业重新考虑半导体所用设计和材料。随着多种更快、更小应用设备的不断涌现，硅材料已难以维持摩尔定律，使宽禁带半导体功率器件得到迅速发展[1]。宽禁带半导体被称为第三代半导体材料，是指禁带宽度大于2.3eV 的半导体材料，其材料包括： A1N，GaN，BN，SiC，ZnO，金刚石等[2-3]。本文使用的氮化镓功率器件具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，并可与成本极低、技术成熟度极高的硅基半导体集成电路工艺相兼容，在新一代高效率、小尺寸的5G通讯、新能源汽车、工业电源等领域具有巨大的发展潜力。

1 氮化镓数字D类功放电路原理

数字D类功放电路采用氮化镓作为功率器件，具有高开关频率、低导通电阻和易驱动等特点[4]。数字D类功放电路原理：首先，把四路PWM信号通过隔离器，将驱动低压信号和功放输出的高压信号隔离，减少低压信号受到干扰，再通过专用驱动芯片驱动氮化镓，驱动芯片分离式输出，可单独调节开通电阻和关断电阻，精准控制驱动信号的死区时间[5]，从而提高功放效率和保证电路安全性；其次，采用H桥式电路，使四个氮化镓管子分别接四路驱动信号，让上下桥臂氮化镓管子驱动信号互补；最后，输出差分信号与滤波电路连接，滤波电路滤掉高频载波，输出需要的基波信号。

2 应用电路原理图设计

2.1 电路组成框图

设计包括驱动电路、功放电路和滤波电路，输出70W功率，有效值170V的1.7K交流信号。下图1为本系统框图，采用AD调制方式的PWM波，驱动数字D类功放，直流供电电压280V，将需要的弱信号功率放大。调制频率为250K，调制率为95%，基波信号1.7K。隔离器将强电和弱电隔离，很好地保护弱电部分。用专用的驱动芯片驱动氮化镓管子，输出用两级LC低通滤波。

图1 电路基本框图

2.2 关键器件选型

电路有三个主要组成部分，每一部分都需要选择合适的元器件，才能使电路可靠地工作。功率器件选择英诺赛科的氮化镓INN650D01，氮化镓管子耐压650V，导通电阻130mΩ，漏极最大电流32A。驱动电路部分，主要是隔离器和驱动芯片，对于本设计PWM载波频率为250K，所以选择的隔离器和驱动器工作频率必须大于250K，隔离器选用芯动神州ushield1200，信号传输速率可达100Mbps，隔离电压有效值3000V；驱动芯片选用瞻芯IVCR1801专用驱动芯片，4.5V～20V供电电压满足氮化镓5V驱动电压要求，分离式开通和关断输出，能更好控制功率管死区时间，从而提高功放效率和系统安全性。输出电压失真度要求-60dB，设计了两级LC低通滤波，抑制谐波和滤除高频载波。滤波电感由于需要特定的感量和滤除指定频率的信号，所以另外设计，滤波电容选用一般薄膜电容。

2.3 搭建电路仿真

用LTspice仿真电路，首先搭建电路图，根据关键元器件型号，找对应的LTspice元器件模型，没有相同元器件可以找主要参数相似元器件代替。仿真电路（图2）和仿真结果（图3）。

图2 氮化镓功放仿真电路

图3 氮化镓功放仿真结果

电路中AD调制的PWM波直接编程产生，驱动和隔离没有找到合适的芯片，直接用PWM波驱动使用氮化镓的D类数字功放电路，母线用280V供电，功放输出用两级LC低通滤波，输出低频信号。根据仿真结果显示，输出电压有效值188V，频率1.7K。输出电压值比设计电压高18V，因为在实际电路设计中，考虑电路中的损耗，所以设计值略高，电路仿真输出符合设计要求。

2.4 电路原理图设计

2.4.1 驱动电路设计

驱动电路采用隔离加专用驱动芯片的电路结构，一个上下桥臂的驱动电路如图4所示，250K调制信号PWM1通过圣邦微异或门芯片SGM7SZ86的1引脚输入，一路PWM信号保持不变从4引脚输出，另外一路PWM信号反向之后输出，产生H桥上下桥臂互补的PWM波。两路信号通过隔离芯片ushield1200的3引脚输入，再从6引脚输出，隔离芯片将驱动电路前端和H桥隔离，保护元器件和减少干扰。最后从专用驱动芯片6引脚输入，驱动芯片的驱动信号分别从2、3脚输出。当功率管开通时，由2脚输出高电平驱动管子栅极，当功率管关闭时，通过3脚拉低驱动信号，开通和关断电路走不同回路，可以精确控制驱动死区时间，提高电路可靠性。

芯片都是5V电压经过100nF电容滤波之后供电，隔离器后是隔离电源。U14隔离器后端的地接H桥的一路输出端，供电电源通过二极管给芯片供电，形成自举电路。驱动芯片输出5V电压驱动功率管子。另外一对上下桥臂驱动信号原理一样。

2.4.2 H桥电路设计

功放电路是要输出功率70W，频率1.7K，有效值170V的交流电压。如图4所示，使用氮化镓芯片INN650D01-650V，搭建H桥电路，芯片的耐压650V，漏极最大电流32A，芯片参数都满足设计要求。四路PWM信号G1、G2、G3、G4分别驱动四个氮化镓，G1和G3、G2和G4分别是互补的PWM波。当G1和G4高电平时，BUS电压通过Q5、滤波器、负载、Q9形成回路，当G2和G3高电平时，BUS电压通过Q6、滤波器、负载、Q8形成回路，将输出功率放大。

图4 驱动电路图

图5 H桥电路图

2.4.3 滤波电路设计

H桥输出信号是250K高频方波，需要将250K高频方波滤除，才能得到需要的1.7K正弦波。滤波之后输出的信号要求-60dB的失真度，根据电路仿真结果，本文设计了两级输出LC低通滤波，电路如图6。

图6 滤波电路图

滤波电容选市面上能够买到的小容量薄膜电容，滤波电感没有合适的感量，所以自己设计。根据仿真值，需要1.5mH和0.6mH的电感，电路需要滤除250K的高频信号，选用高频磁芯材料铁粉芯。电路输出功率70W，磁芯尺寸选较大一点，防止磁芯饱和。根据功率公式P=UI，计算输出信号峰值电流0.6A，漆包线线径选择0.3mm。根据网上查找资料，选择了君灿的T130-2磁芯，磁芯参数和制造要求如表1所示。

表1 磁芯参数和制造要求表

3 设计实物和测试结果

3.1 设计实物展示

前文中原理图已经设计完成，经过一段时间电路板布局，投板生产实物如图7。电路板元器件焊接完成，为了减少干扰，将功放板放入一个屏蔽盒里面，盒子四周封闭，只留电源和信号接口。

图7 板子实物图

3.2 测试结果

根据产品要求，输出带400欧负载。在测试时，用8个50欧负载串联，用万用表实测阻值398欧。每一个负载功率40W，通过绝缘垫片，涂上导热硅脂粘贴在散热片上。测试结果如图8和图9：根据实测结果：功放板能够输出1.7K，有效值170V的交流电压，并且基波信号的谐波都小于-65dB。

图8 功放输出电压波形

图9 信号频谱

4 结论

本文采用氮化镓设计的数字D类功放电路，通过实际测试验证，提高D类功放的开关频率，同时也减少功放器的体积，并增大功率密度。根据输出信号的频谱图分析，基波信号的谐波都在-65dB以下，使信号失真度满足小于-60dB要求，极大提高了轨道上列车的安全性。