技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子技术领域，特别地，涉及一种基于GaN器件应用于低压大电流场合的电路。
背景技术
[0002] 目前，类似于无人机中利用无刷交流
电机进行供电、且要求
低电压和大电流工作环境的场合，大多是通过在交流电机的输出端设置桥式整流电路，将交流输入电压转换为直流
输出电压，有时还需要在
整流桥的输出端增加DC-DC变换电路以匹配负载需求电压并稳定供电电压。目前普遍采用传统的
硅二极管进行交直流转换以及在DC-DC电路中续流。
[0003] 虽然采用传统二极管进行整流或续流的方式具有结构简单、成本低廉的优点，但是当电流流动时，二极管的正向导通压降较高，往往可以达到1.5V以上，导致器件损耗问题尤其突出。而如今随着电子技术的不断发展，在某些应用场合中，电路设计的工作电压越来越低而电流越来越大，硅二极管已经不再适用。比如在无人机中利用无刷交流电机进行供电，
母线电压通常低于100V，但是对于电流的需求可能高达上百安，这就导致了硅二极管端压降极大，其结果不仅浪费了电力，降低了系统效率，还会增大
电路板额面积以及
散热器的重量体积，严重影响到无人机动力系统对于轻量化以及高功率
密度的需求。
[0004] 综上所述，我们需要一种新的适用于低电压大电流工作环境的电路，以克服传统电路能耗高、效率低的
缺陷。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于GaN器件应用于低压大电流场合的电路，具体方案如下：
[0006] 一种基于GaN器件应用于低压大电流场合的电路，包括三相交流
滤波器、理想二极管整流电路以及同步整流buck电路；
[0007] 交流电机输出的电流经所述三相交流滤波器滤波后输送至理想二极管整流电路，所述理想二极管整流电路包括六个以桥式配置连接的理想二极管，每两个理想二极管组对作为一个半桥，且其中一个理想二极管的源极与另一个理想二极管的漏极
串联组成一个桥臂，三个桥臂分别对应连接输入三相交流电的三相，其他漏极连接在一起组成直流输出正端，其他源极连接在一起组成直流输出负端；
[0008] 所述同步整流buck电路的直流输入端和输出端分别与理想二极管整流电路的直流输出端以及负载连接，所述同步整流buck电路包括串联的
开关管、储能电感和稳压电容以及与所述储能电感和稳压电容并联的同步整
流管；
[0009] 所述理想二极管、开关管和同步整流管均为GaN HEMT。
[0010] 本发明中的GaN HEMT为氮化镓的高电子迁移率晶体管。本发明中所称的理想二极管，是指当电流在GaN器件中流通时，GaN器件两端的压降极小，相较于传统二极管几乎可以忽略不计，此时GaN器件可视作理想二极管。
[0011] 优选地，还包括驱动电路，所述驱动电路包括霍尔电压
传感器和驱动模
块，在所述理想二极管整流电路的输入端设置霍尔电压传感器，用于获取输入
三相电压的测量值，在所述同步整流buck电路的输出端也设置霍尔电压传感器，用于获取输出直流电压的幅值，所述驱动模块与各GaN HEMT元件的栅极连接，所述驱动电路通过分析比较由各霍尔电压传感器采集到的电压
信号控制对应GaN HEMT元件的开通关断。
[0012] 优选地，所述驱动电路还包括增益模块和控
制模块，所述增益模块与设置在理想二极管整流电路输入端的霍尔电压传感器连接，用于对
传感器数据进行预处理，所述
控制模块连接增益模块和驱动模块，所述控制模块根据三相电压的测量值确定六个GaN HEMT理想二极管的开关状态，进而向所述驱动模块输出对应的PWM
控制信号。
[0013] 增益模块的作用是把
输入信号乘以一个
指定的增益因子，以便于后续控制模块对数据进行处理。霍尔电压传感器采集的电压信号经
采样传输进增益模块中，信号在增益模块中进行增益处理后传输进控制模块，根据三相电压比较，控制输出合适的驱动信号。
[0014] 由于三相电压的
波形是幅值
频率相同的正弦，三者间的区别就是三相的电压在特定时刻的
位置不同，位置信息也就是
相位信息。
[0015] 优选地，所述驱动电路还包括依次连接的减法器、PI调节器和比较器，所述减法器与设置在同步整流buck电路输出端的霍尔电压传感器连接，并用于将采集到的输出电压Vout与基准电压设定值Vref进行比较，比较结果通过所述PI调节器放大生成误差电压Verr，所述误差电压Verr在比较器中与
锯齿波信号Vsaw(可由
控制器模拟生成)进行比较并生成一脉宽与Verr大小成正比的方波信号，所述方波信号发送至驱动模块进而控制GaN HEMT开关管的开通关断，同时产生一路互补带死区的PWM控制信号控制GaN HEMT同步整流管的开通关断。
[0016] 上述一路互补带死区的PWM控制信号实际就是两组PWM信号，这两组PWM信号的波形互补，且为了防止桥臂的上
下管同时开通导致
短路，互补的PWM信号间需要增加一个死区，如图3。
[0017] 本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：
[0018] 1、本发明利用GaN HEMT代替传统二极管组成了理想二极管桥以及同步整流buck电路，相比之下，其输出特性与传统电路区别不大，但由于GaN器件的导通压降极低，因此可大大降低器件的功耗，有利于提高动力系统的效率以及功率密度，满足当下对于高效变换器的需求，特别适用于无人机动力系统等低压大电流场合。
[0019] 2、本发明还对电路进一步优化，通过在整流桥输入端和buck电路输出端设置电压传感器以及设置与电压传感器连接的DSP控制器、设置连接DSP控制器和GaN HEMT元件栅极的驱动电路，针对各GaN器件增加了驱动信号，实现了对GaN器件的开通和关断进行准确控制。
附图说明
[0020] 为了更清楚地说明本发明
实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
[0021] 图1是本发明实施例1中基于GaN器件应用于低压大电流场合的电路的结构图；
[0022] 图2是本发明实施例1中理想二极管的触发信号示意图；
[0023] 图3是本发明实施例1中开关管、同步整流管与互补带死区的PWM控制信号的关系图；
[0024] 图中：1交流电机，2三相交流滤波器，3
电动机，4增益模块，5控制模块，6驱动模块，7减法器，8PI调节器，9比较器，Q1～Q6GaN HEMT理想二极管，Q7GaN HEMT开关管，Q8GaN HEMT同步整流管，L1储能电感，C1稳压电容。
具体实施方式
[0025] 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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、
试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0027] 实施例1
[0028] 参见图1，一种基于GaN器件应用于低压大电流场合的电路，用于无人机的无刷
交流发电机电子
整流器中，包括三相交流滤波器2、理想二极管整流电路、同步整流buck电路和驱动电路。
[0029] 所述三相交流滤波器2和交流电机1连接，并用于将三相交流电滤波后输送至理想二极管整流电路中。
[0030] 所述理想二极管整流电路，即图1中靠左侧虚线框内的部分结构，包括六个以桥式配置连接的GaN HEMT理想二极管，分别是Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，每两个理想二极管组对作为一个半桥，且其中一个理想二极管的源极与另一个理想二极管的漏极串联组成一个桥臂，三个桥臂分别对应连接输入三相交流电的三相，其他漏极连接在一起组成直流输出正端，其他源极连接在一起组成直流输出负端。
[0031] 所述同步整流buck电路，即图1中靠右侧虚线框内的部分结构，包括GaN HEMT开关管Q7、GaN HEMT同步整流管Q8、储能电感L1和稳压电容C1。所述同步整流buck电路的直流输入端和输出端分别与理想二极管整流电路的直流输出端以及负载(即无人机的电动机3)对应连接，所述GaN HEMT开关管Q7、储能电感L1和稳压电容C1间串联，所述GaN HEMT同步整流管Q8与储能电感L1、稳压电容C1并联。
[0032] 在本实施例中，所述GaN HEMT采用GaN System公司的GS-010-120-1-P产品，其额定漏源极电压为100V，额定电流为120A，导通
电阻为5mΩ。
[0033] 所述驱动电路包括霍尔电压传感器、增益模块4、控制模块5和驱动模块6。在所述理想二极管整流电路的输入端设有霍尔电压传感器，用于获取输入三相电压的测量值，该霍尔电压传感器连接增益模块4，所述增益模块4连接控制模块5，所述控制模块5连接驱动模块6，所述驱动模块6与各GaN HEMT理想二极管的栅极连接。
[0034] 所述控制模块5包括控制器主芯片、数/模转换器、模/数转换器、PWM输出
接口以及其他外围扩展电路，所述控制模块5根据三相电压相位信息确定六个GaN HEMT理想二极管的开关状态，进而向驱动模块6输出对应的PWM控制信号，使驱动模块6按顺序导通理想二极管以将交流
电信号转换为直流电信号。在本实施例中，所述控制器主芯片采用TI公司一款高性能TMS320C28x系列32位浮点的DSP处理器。
[0035] 所述驱动模块6包括与GaN HEMT理想二极管对应连接的六个
驱动器单元，所述驱动器单元用于控制对应二极管的通断，在本实施例中，所述驱动器单元基于1EDF5673K单通道隔离栅极驱动器，与本实施例中的GaN HEMT适配性好。
[0036] 所述驱动电路还包括减法器7、PI调节器8和比较器9。在所述同步整流buck电路的输出端也设有霍尔电压传感器，用于获取输出直流电压的幅值，该霍尔电压传感器连接减法器7，所述减法器7连接PI调节器8，所述PI调节器8连接比较器9，所述比较器9连接驱动模块6，所述驱动模块6还与GaN HEMT开关管Q7以及GaN HEMT同步整流管Q8的栅极连接。
[0037] 所述理想二极管整流电路的工作原理如下：
[0038] 共漏极的三个理想二极管(即Q1、Q3和Q5)的导通规律为：对应源极电位高的理想二极管的导通；共源极的三个理想二极管(即Q2、Q4和Q6)的导通规律为：对应漏极电位高的二极管导通；即当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个。理想二极管的导通顺序如下：Q1/Q6—Q1/Q2—Q3/Q2—Q3/Q4—Q5/Q4—Q5/Q6；对触发脉冲的要求为：六个理想二极管的脉冲按Q1—Q2—Q3—Q4—Q5—Q6的顺序，相位依次差60°，则共漏极组Q1、Q3、Q5的脉冲依次差120°，共源极组Q2、Q4、Q6的脉冲也依次差120°；同一相的上下两个桥臂，即Q1与Q4，Q3与Q6，Q5与Q2，脉冲相差180°。
[0039] 各理想二极管对应触发信号的波形图如图2所示，图中分为上下两组，其中上组为共漏极组Q1、Q3、Q5，下组为共源极组Q2、Q4、Q6，各组中二极管按顺序依次导通。
[0040] 在实际使用过程中，当施加正向
偏压且控制栅极正偏时，每个GaN HEMT就像一个理想的二极管，其导通电阻极小；而当承受反向偏压且控制栅极反偏时，GaN HEMT本身又具有反向阻断特性。对于无人机等需要低压大电流装置的应用场合，利用低压低内阻的GaN器件作为理想二极管进行整流具有广泛的应用前景和实际意义。
[0041] 所述同步整流buck电路的工作原理如下：
[0042] 利用霍尔电压传感器采集输出电压Vout，将其作为电压控制环的输入信号输入减法器7中，该信号与基准电压设定值Vref进行比较，比较结果通过PI调节器放大生成误差电压Verr，所述误差电压Verr在比较器中与锯齿波信号Vsaw进行比较并生成一脉宽与Verr大小成正比的方波信号，所述方波信号发送至驱动模块进而控制GaN HEMT开关管Q7的导通和关断，同时产生一路互补带死区的PWM控制信号控制GaN HEMT同步整流管Q8的开通关断。该互补带死区的PWM信号及其对应buck电路中Q7、Q8的触发信号如图3所示。
[0043] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的
专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明
说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。
