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摘 要：氮化镓（GaN）材料具有宽禁带宽度、高击穿场强等综合优势，通过对比氮化镓晶体管和硅功率器件参数，说明了氮化镓器件在工作频率和电路效率方面的优势。使用氮化镓晶体管替代硅基功率器件，设计了一款带有同步整流的BUCK变换器。测试结果显示：电路可以在较高的频率下工作，缩小了滤波电路的体积，在轻载时电路进入脉冲跳跃模式，结合氮化镓晶体管在效率方面的优势，电路整体效率均保持在较高水平。
关键词：氮化镓;BUCK;电源变换器
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0073-03
A BUCK Converter Based on GaN Transistor
TAN Chao，WANG Xin，LI Bo
（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050051，China）
Abstract：Gallium nitride（GaN）material has the comprehensive advantages of wide band gap and high breakdown field strength. By comparing the parameters of GaN transistor and silicon power device，the advantages of GaN device in working frequency and circuit efficiency are illustrated. A BUCK converter with synchronous rectification is designed by using GaN transistors instead of Silicon based power devices. The test results show that the circuit can work at a higher frequency，which reduces the size of the filter circuit. When the load is light，the circuit enters the pulse jump mode. Combined with the efficiency advantage of GaN transistor，the overall efficiency of the circuit remains at a high level.
Keywords：GaN;BUCK;power converter
0 引 言
在功率轉换领域，硅基器件的技术已经发展的十分成熟，各方面性能已经接近其理论极限，性能和指标的提升通常需要研发和制造成本的显著增加。然而，相关功率产品的发展并未止步，进入性能平稳期的硅基功率器件逐渐成为制约电源产品向小型化、高频化发展的门槛。氮化镓晶体管具有导通阻抗小、开关速度快、尺寸小、抗辐射等特点，可以进一步提高开关频率，减小电源电路体积[1]。伴随氮化镓技术逐渐成熟，在电源变换器中使用氮化镓功率管替代传统硅基功率器件渐成趋势，研究基于氮化镓功率器件的高频高效电源具有较大的价值和意义。
BUCK电路拓扑在开关型调整器中结构简单，无需变压器隔离，所用元件数量少，能减小整体电路的体积，适合用在小功率电源电路中[2]。本文将介绍一种带有同步整流的BUCK变换器，使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件，在2 MHz下的电路中工作，对比硅基器件具有体积小、效率高、纹波小、动态响应速度快等优点。
1 电路结构及工作原理
1.1 主电路结构
BUCK电路拓扑结构如图1所示，Q1为主功率管，连接电源输入端和电感，通过硬开通和硬关断，在V1处产生方波电压，Q2为同步整流管，在Q1关断时导通为电感提供续流通路，电感L和输出电容COUT构成低通滤波器，降低输出电压的纹波[3]。早期BUCK电路使用肖特基二极管作为续流管，导通电阻较大，存在由肖特基势垒电压造成的死区电压。为提高电路的效率，降低电路的整流损耗，一般使用通态电阻较低的硅功率管作为同步整流管，在这里Q1、Q2全部更换为氮化镓晶体管进一步减小损耗，缩小电路尺寸，提升电路的功率密度。
BUCK电路拓扑在Q1导通时，Q2关闭，加在电感两端的电压视为恒定的VIN和VOUT，记Q1导通时间为Ton，此时流过电感的电流线性增加，由输入端给负载和电感提供能量：
在Q1关闭，Q2导通时，加在电感两端的电压同样视为恒定的0和VOUT，记Q1关闭时间为Toff，此时流过电感的电流线性减小，由电感为负载提供能量，有：
稳态时，一个周期内电感电流的增加量和减小量保持相等，电感不消耗能量，此时电感电流IL由输出直流量IOUT和纹波交流量ΔI叠加而成。依据电感伏秒平衡原理，可得：
（VIN-VOUT）·Ton=VOUT·Toff
在一个周期内BUCK电路的占空比可表示为：
综合以上各式可得电感计算公式：
设计时电感电流纹波ΔI通常以输出电流的0.3～0.5倍作为参考，这样可以得到比较合适的电感尺寸和电容尺寸，根据设定的输入输出功率参数和电路工作频率，即可确定所需电感感值。
1.2 电路工作原理
为保证电路在不同输入电压和负载下的稳定运行，需在电路中加入反馈调节电路，这里使用电流模式进行反馈调整。如图2所示，输出电压经分压电阻采样得到采样电压VFB，和参考电压Vref通过误差放大器比较并输出误差电压Vea，另一电流检测电路检测流过电感的三角波电流，把采集到的电流信号转化为电压Vsense与Vea比较，经PWM比较器输出控制逻辑信号。在PWM恒频调制模式下，主功率管Q1开启时刻由固定频率时钟决定，此时Vsense跟随电感电流线性增加，当Vsense上升到与Vea相等时关闭Q1管，经过死区时间后打开同步整流管Q2，Vsense跟随电感电流线性下降，直至下一周期时钟信号关闭Q2管，打开Q1管[4]，如此往复完成开关过程。电流模式包含输出电压和电感电流双路反馈，由于增加了对功率电路电流的检测，电流模式天然具有逐周期限流的特点，且相比电压模式具有对输入电压变化响应快、稳定性更好、输出瞬态响应好、环路设计简单等优点。 电流采样部分需要采集功率回路上的电流参数，通常做法是在功率部分添加一个独立的电阻元件将电流转化为电压，不过这会限制电路的最大负载电流，降低电路的效率，同时高精度检测电阻会增加电路成本。这里使用测量电感的直流电阻的方法，如图3所示，实际电感可以等效为一个电感和其寄生直流电阻DCR的串联（电感的DCR一般在供应商手册中标注出来）。将采样电路接在电感两端，只需保证检测电路的时间常数和电感及DCR的时间常数相匹配，即（R1||R2）·C1=L/DCR，便可以通过检测电感直流电阻上电压的方式完成电流的测量[5]。其中电容C1应尽量靠近控制芯片，并且采样电路要使用开尔文连接以尽量减小检测误差。使用电感的直流电阻完成电流采样无需在主功率电路添加元件，是一种低成本且几乎无损的检测方式。
2 电路设计
本次设计的电路输入电压范围为20～40 V，额定输入电压28 V，输出功率为5 V/2 A，输出电压纹波小于30 mV，空载与满载下电路瞬态幅值小于150 mV，工作频率设定为2 MHz，电路尺寸小于10×10 cm2。根据以上参数确定出功率部分元件参数，电感选用小型叠层电感，对比普通绕线电感，体积有较大优势，不过由于电感结构和材质绝缘限制，只能应用于低压小功率电路。电感选择时需要注意对电感手册中参数Isat（饱和电流）和Irms（温升电流）的考量，Isat为电感进入（磁）饱和状态下的电流，此时电感感量会迅速下降，对电流变化的阻碍能力下降，导致通过的电流急剧上升，增大交流损耗和输出纹波电压，厂家通常定义电感饱和电流为电感感值下降30%时的电流大小。Irms为电感能通过的最大电流，由于电感自身线圈电阻等原因，通过电流会使电感发热，通常电感温升电流定义为室温环境下电感温升达到40 K时的电流大小，需要注意厂家一般选用直流电流进行测试，电路实际工作时电感电流会叠加一个交流量?I，产生由电磁变化和线圈趋肤效应造成的交流损耗，该损耗随着频率的增加而增大，使电感实际温升高于同等直流量的测试值，故选型时不仅要使最大工作电流小于电感额定电流，还需留有一定裕量。
功率管选用氮化镓晶体管，氮化镓材料具有宽禁带宽度、高击穿场强等综合优势。氮化镓材料较大的禁带宽度使得其在温度较高和辐射较强时的本征激发载流子有限，这使氮化镓材料具有耐高温和抗辐射的特点，所以由氮化镓材料制成的功率器件可以工作在更高的温度范围，降低对散热措施的要求，缩小电路系统体积。同时氮化镓材料的临界击穿电压更高，远超过硅基材料的临界值，这使得氮化镓功率器件可以做到非常高的耐压值，满足不同输入电压范围的要求。
通过对比表1可发现，在同一功率范围下，相比于硅功率管，氮化镓功率管的导通电阻更小一些，由此产生的导通损耗也会按比例缩小。同时硅基功率管天然存在体二极管，当功率管关断时，其体二极管中存在反向恢复电荷Qrr，一般在几十nC之间，具体大小还要根据尺寸和特性而定，这部分电荷的损失使功率管产生额外的开关损耗，而氮化镓功率管的反向恢复电荷為零，即不存在体二极管，同样也不存在由体二极管的反向恢复带来的损耗。在驱动能力方面，氮化镓功率管的栅极电荷Qg更小，由驱动产生的损耗也会更小，更低的驱动损耗有助于提升工作频率，从而进一步减小电源电路体积。不过氮化镓功率管的驱动电压范围比传统硅基功率管更窄，在设计时需要考虑驱动的匹配和布局的优化。
3 测试结果及分析
为了测试本文所设计电源电路的性能，整体对电路进行全输入电压和全负载范围测试，重点分析额定输入电压下性能表现。
测试结果表明全范围条件下电路均能正常工作并满足预期指标要求。在额定输入电压28 V时，电源变换器从空载到设定满载范围下输出电压稳定在5 V。满载输出的状态时，输出电压的纹波峰峰值为25 mV，满足设定指标30 mV。由于电路工作在2 MHz的较高频率，滤波电路使用小体积的电感和较少的电容即可保持输出纹波在合适的范围内。
图4为28 V额定输入条件下电源效率曲线。通过测试可知电路在满载时效率最高，可达94%，相比较采用硅基功率管的同等状态下电源，使用氮化镓晶体管减小了电路的开关损耗和导通损耗，使电源效率提高4%～5%。在轻载条件下，电路进入脉冲跳跃模式（PSM），此时控制器周期性跳出不必要的开关脉冲，和强制连续模式（FCM）相比，不仅消除了功率电路电流反向流动带来的损耗，而且减少了由驱动和开关引起的损耗，电路主要依靠输出电容的储能维持输出电压的稳定，其效果在一定程度上增加了空载下输出纹波幅值，但其损耗占比大幅降低，效率曲线仍然较为平坦。
瞬态测试条件下，额定28 V输入电压，负载由空载到满载阶跃时输出电压跌落幅值0.13 V，响应时间为200 us;负载由满载到空载阶跃时输出电压过冲幅值0.14 V，响应时间为220 us，均能满足设计需求。如需进一步减小电路的瞬态幅值，可在此基础上增加输出电容容值，相应的瞬态的恢复时间也会延长。
4 结 论
本文设计了一款基于同步整流方式的BUCK电源变换器，功率管和同步整流管均使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件。分析了电路的基本工作原理，搭建并测试了试验电路。测试结果显示，使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件后电路能以较高的频率工作，缩小了滤波电路体积。同时由于氮化镓晶体管的开关损耗和导通损耗更小，轻载时电路工作在脉冲跳跃模式，使电路在全范围内均可以保持较高的效率。
参考文献：
[1] 利多，斯其顿，罗伊，等.氮化镓功率晶体管——器件，电路与应用 [M].段宝兴，杨银堂，译.北京：机械工业出版社，2018.
[2] 普利斯曼，比利斯，莫瑞.开关电源设计：第3版 [M].王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2010.
[3] 脱立芳.降压型PWM DC-DC开关电源技术研究 [D].西安：西安电子科技大学，2008.
[4] 周阿铖.峰值电流型脉宽调制降压型DC-DC芯片的设计 [D].长沙：湘潭大学，2014.
[5] HUA L，LUO S G. Design considerations of time constant mismatch problem for inductor DCR current sensing method[C]//Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Dallas：IEEE，2006：7.
作者简介：谭超（1979—），男，汉族，山东安丘人，高级工程师，本科，研究方向：电源及微波模块设计工作。
关键词：氮化镓;BUCK;电源变换器
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0073-03
A BUCK Converter Based on GaN Transistor
TAN Chao，WANG Xin，LI Bo
（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050051，China）
Abstract：Gallium nitride（GaN）material has the comprehensive advantages of wide band gap and high breakdown field strength. By comparing the parameters of GaN transistor and silicon power device，the advantages of GaN device in working frequency and circuit efficiency are illustrated. A BUCK converter with synchronous rectification is designed by using GaN transistors instead of Silicon based power devices. The test results show that the circuit can work at a higher frequency，which reduces the size of the filter circuit. When the load is light，the circuit enters the pulse jump mode. Combined with the efficiency advantage of GaN transistor，the overall efficiency of the circuit remains at a high level.
Keywords：GaN;BUCK;power converter
0 引 言
在功率轉换领域，硅基器件的技术已经发展的十分成熟，各方面性能已经接近其理论极限，性能和指标的提升通常需要研发和制造成本的显著增加。然而，相关功率产品的发展并未止步，进入性能平稳期的硅基功率器件逐渐成为制约电源产品向小型化、高频化发展的门槛。氮化镓晶体管具有导通阻抗小、开关速度快、尺寸小、抗辐射等特点，可以进一步提高开关频率，减小电源电路体积[1]。伴随氮化镓技术逐渐成熟，在电源变换器中使用氮化镓功率管替代传统硅基功率器件渐成趋势，研究基于氮化镓功率器件的高频高效电源具有较大的价值和意义。
BUCK电路拓扑在开关型调整器中结构简单，无需变压器隔离，所用元件数量少，能减小整体电路的体积，适合用在小功率电源电路中[2]。本文将介绍一种带有同步整流的BUCK变换器，使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件，在2 MHz下的电路中工作，对比硅基器件具有体积小、效率高、纹波小、动态响应速度快等优点。
1 电路结构及工作原理
1.1 主电路结构
BUCK电路拓扑结构如图1所示，Q1为主功率管，连接电源输入端和电感，通过硬开通和硬关断，在V1处产生方波电压，Q2为同步整流管，在Q1关断时导通为电感提供续流通路，电感L和输出电容COUT构成低通滤波器，降低输出电压的纹波[3]。早期BUCK电路使用肖特基二极管作为续流管，导通电阻较大，存在由肖特基势垒电压造成的死区电压。为提高电路的效率，降低电路的整流损耗，一般使用通态电阻较低的硅功率管作为同步整流管，在这里Q1、Q2全部更换为氮化镓晶体管进一步减小损耗，缩小电路尺寸，提升电路的功率密度。
BUCK电路拓扑在Q1导通时，Q2关闭，加在电感两端的电压视为恒定的VIN和VOUT，记Q1导通时间为Ton，此时流过电感的电流线性增加，由输入端给负载和电感提供能量：
在Q1关闭，Q2导通时，加在电感两端的电压同样视为恒定的0和VOUT，记Q1关闭时间为Toff，此时流过电感的电流线性减小，由电感为负载提供能量，有：
稳态时，一个周期内电感电流的增加量和减小量保持相等，电感不消耗能量，此时电感电流IL由输出直流量IOUT和纹波交流量ΔI叠加而成。依据电感伏秒平衡原理，可得：
（VIN-VOUT）·Ton=VOUT·Toff
在一个周期内BUCK电路的占空比可表示为：
综合以上各式可得电感计算公式：
设计时电感电流纹波ΔI通常以输出电流的0.3～0.5倍作为参考，这样可以得到比较合适的电感尺寸和电容尺寸，根据设定的输入输出功率参数和电路工作频率，即可确定所需电感感值。
1.2 电路工作原理
为保证电路在不同输入电压和负载下的稳定运行，需在电路中加入反馈调节电路，这里使用电流模式进行反馈调整。如图2所示，输出电压经分压电阻采样得到采样电压VFB，和参考电压Vref通过误差放大器比较并输出误差电压Vea，另一电流检测电路检测流过电感的三角波电流，把采集到的电流信号转化为电压Vsense与Vea比较，经PWM比较器输出控制逻辑信号。在PWM恒频调制模式下，主功率管Q1开启时刻由固定频率时钟决定，此时Vsense跟随电感电流线性增加，当Vsense上升到与Vea相等时关闭Q1管，经过死区时间后打开同步整流管Q2，Vsense跟随电感电流线性下降，直至下一周期时钟信号关闭Q2管，打开Q1管[4]，如此往复完成开关过程。电流模式包含输出电压和电感电流双路反馈，由于增加了对功率电路电流的检测，电流模式天然具有逐周期限流的特点，且相比电压模式具有对输入电压变化响应快、稳定性更好、输出瞬态响应好、环路设计简单等优点。 电流采样部分需要采集功率回路上的电流参数，通常做法是在功率部分添加一个独立的电阻元件将电流转化为电压，不过这会限制电路的最大负载电流，降低电路的效率，同时高精度检测电阻会增加电路成本。这里使用测量电感的直流电阻的方法，如图3所示，实际电感可以等效为一个电感和其寄生直流电阻DCR的串联（电感的DCR一般在供应商手册中标注出来）。将采样电路接在电感两端，只需保证检测电路的时间常数和电感及DCR的时间常数相匹配，即（R1||R2）·C1=L/DCR，便可以通过检测电感直流电阻上电压的方式完成电流的测量[5]。其中电容C1应尽量靠近控制芯片，并且采样电路要使用开尔文连接以尽量减小检测误差。使用电感的直流电阻完成电流采样无需在主功率电路添加元件，是一种低成本且几乎无损的检测方式。
2 电路设计
本次设计的电路输入电压范围为20～40 V，额定输入电压28 V，输出功率为5 V/2 A，输出电压纹波小于30 mV，空载与满载下电路瞬态幅值小于150 mV，工作频率设定为2 MHz，电路尺寸小于10×10 cm2。根据以上参数确定出功率部分元件参数，电感选用小型叠层电感，对比普通绕线电感，体积有较大优势，不过由于电感结构和材质绝缘限制，只能应用于低压小功率电路。电感选择时需要注意对电感手册中参数Isat（饱和电流）和Irms（温升电流）的考量，Isat为电感进入（磁）饱和状态下的电流，此时电感感量会迅速下降，对电流变化的阻碍能力下降，导致通过的电流急剧上升，增大交流损耗和输出纹波电压，厂家通常定义电感饱和电流为电感感值下降30%时的电流大小。Irms为电感能通过的最大电流，由于电感自身线圈电阻等原因，通过电流会使电感发热，通常电感温升电流定义为室温环境下电感温升达到40 K时的电流大小，需要注意厂家一般选用直流电流进行测试，电路实际工作时电感电流会叠加一个交流量?I，产生由电磁变化和线圈趋肤效应造成的交流损耗，该损耗随着频率的增加而增大，使电感实际温升高于同等直流量的测试值，故选型时不仅要使最大工作电流小于电感额定电流，还需留有一定裕量。
功率管选用氮化镓晶体管，氮化镓材料具有宽禁带宽度、高击穿场强等综合优势。氮化镓材料较大的禁带宽度使得其在温度较高和辐射较强时的本征激发载流子有限，这使氮化镓材料具有耐高温和抗辐射的特点，所以由氮化镓材料制成的功率器件可以工作在更高的温度范围，降低对散热措施的要求，缩小电路系统体积。同时氮化镓材料的临界击穿电压更高，远超过硅基材料的临界值，这使得氮化镓功率器件可以做到非常高的耐压值，满足不同输入电压范围的要求。
通过对比表1可发现，在同一功率范围下，相比于硅功率管，氮化镓功率管的导通电阻更小一些，由此产生的导通损耗也会按比例缩小。同时硅基功率管天然存在体二极管，当功率管关断时，其体二极管中存在反向恢复电荷Qrr，一般在几十nC之间，具体大小还要根据尺寸和特性而定，这部分电荷的损失使功率管产生额外的开关损耗，而氮化镓功率管的反向恢复电荷為零，即不存在体二极管，同样也不存在由体二极管的反向恢复带来的损耗。在驱动能力方面，氮化镓功率管的栅极电荷Qg更小，由驱动产生的损耗也会更小，更低的驱动损耗有助于提升工作频率，从而进一步减小电源电路体积。不过氮化镓功率管的驱动电压范围比传统硅基功率管更窄，在设计时需要考虑驱动的匹配和布局的优化。
3 测试结果及分析
为了测试本文所设计电源电路的性能，整体对电路进行全输入电压和全负载范围测试，重点分析额定输入电压下性能表现。
测试结果表明全范围条件下电路均能正常工作并满足预期指标要求。在额定输入电压28 V时，电源变换器从空载到设定满载范围下输出电压稳定在5 V。满载输出的状态时，输出电压的纹波峰峰值为25 mV，满足设定指标30 mV。由于电路工作在2 MHz的较高频率，滤波电路使用小体积的电感和较少的电容即可保持输出纹波在合适的范围内。
图4为28 V额定输入条件下电源效率曲线。通过测试可知电路在满载时效率最高，可达94%，相比较采用硅基功率管的同等状态下电源，使用氮化镓晶体管减小了电路的开关损耗和导通损耗，使电源效率提高4%～5%。在轻载条件下，电路进入脉冲跳跃模式（PSM），此时控制器周期性跳出不必要的开关脉冲，和强制连续模式（FCM）相比，不仅消除了功率电路电流反向流动带来的损耗，而且减少了由驱动和开关引起的损耗，电路主要依靠输出电容的储能维持输出电压的稳定，其效果在一定程度上增加了空载下输出纹波幅值，但其损耗占比大幅降低，效率曲线仍然较为平坦。
瞬态测试条件下，额定28 V输入电压，负载由空载到满载阶跃时输出电压跌落幅值0.13 V，响应时间为200 us;负载由满载到空载阶跃时输出电压过冲幅值0.14 V，响应时间为220 us，均能满足设计需求。如需进一步减小电路的瞬态幅值，可在此基础上增加输出电容容值，相应的瞬态的恢复时间也会延长。
4 结 论
本文设计了一款基于同步整流方式的BUCK电源变换器，功率管和同步整流管均使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件。分析了电路的基本工作原理，搭建并测试了试验电路。测试结果显示，使用氮化镓晶体管代替硅基功率器件后电路能以较高的频率工作，缩小了滤波电路体积。同时由于氮化镓晶体管的开关损耗和导通损耗更小，轻载时电路工作在脉冲跳跃模式，使电路在全范围内均可以保持较高的效率。
参考文献：
[1] 利多，斯其顿，罗伊，等.氮化镓功率晶体管——器件，电路与应用 [M].段宝兴，杨银堂，译.北京：机械工业出版社，2018.
[2] 普利斯曼，比利斯，莫瑞.开关电源设计：第3版 [M].王志强，肖文勋，虞龙，等译.北京：电子工业出版社，2010.
[3] 脱立芳.降压型PWM DC-DC开关电源技术研究 [D].西安：西安电子科技大学，2008.
[4] 周阿铖.峰值电流型脉宽调制降压型DC-DC芯片的设计 [D].长沙：湘潭大学，2014.
[5] HUA L，LUO S G. Design considerations of time constant mismatch problem for inductor DCR current sensing method[C]//Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Dallas：IEEE，2006：7.
作者简介：谭超（1979—），男，汉族，山东安丘人，高级工程师，本科，研究方向：电源及微波模块设计工作。