为啥小米爱用氮化镓？做完这个电源后，我也爱了……

工程名称：基于STM32的氮化镓BUCK-BOOST开关电源

前言

用STM32，做了一个氮化镓BUCK-BOOST开关电源。

本文会尝试讲透该方案的设计原理（见第3章）。

涉及知识点包括：同步整流、氮化镓HEMT、BUCK-BOOST、负压驱动、STM32;数字电源

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一、项目功能/亮点

1.同步整流负压驱动氮化镓数字电源，基于STM32F334C8T6+NCP51820+IGT60R070D1设计

2.可进行升降压操作，输出电压可调

3.可实现多种控制方式：buck，boost拓扑等

二、电路实现方案

半桥驱动子卡原理图

半桥驱动子卡PCB图

氮化镓半桥子卡原理图

氮化镓半桥子卡PCB图

功率底板原理图

功率底板PCB图

控制板_1原理图

控制板_1PCB图

mcu转接板原理图

mcu转接板PCB图

那么在分析它的设计原理前，我们先了解一下……

三、什么是氮化镓？

氮化镓（GaN）是一种新型的功率器件材料，具有高速度、高效率和高可靠性等优点，因此在开关电源领域备受关注

四、双向BUCK-BOOST拓扑原理

将BOOST等效电路与同步BUCK电路相结合，就能构成双向BUCK-BOOST电路。

让我们来“取代”一下

常规BUCK及BOOST等，采用二极管进行续流，但因其导通压降，导致其在低电压、大电流情况下易产生较大的通态损失；而GaNE-HEMT器件开启状态下，通态电阻很小，与二极管相比，其管压降明显低于二极管，采用GaNE-HEMT器件取代BUCK及BOOST续流二极管，可以减小器件的通态损失，该方法被称作“同步整流”。

如何实现电压的自升/降，使其双向流通呢？

本项目采用同步BUCK电路与同步BOOST电路。利用GaNE-HEMT晶体管Q1、Q2与电感L组成同步BUCK降压电路，通过GaNE-HEMT晶体管Q3、Q4与电感L组成同步BOOST升压电路

利用同步整流BUCK-BOOST结构左右对称，也就是GaNE-HEMT管Q3、Q4与电感L，组成同步BUCK降压转换器电路；与GaNE-HEMT晶体管Q1、Q2及电感L，组成同步BOOST升压转换器电路

从而使两个方向均可同时实现电压的自升/降，也就是回路的能量能够双向流通。

接下来，分析一下该电路的工作原理！

即Q4为接通状态，Q3为断开状态，Q1和Q2按一定的占空比交替导通，这时的电路处于工作状态。

再看图2.2，Q1为接通状态，Q2为断开状态，Q3、Q4按一定的占空比交替导通。

这时的电路工作于图2.3中的BOOST模式；当Q1、Q2、Q3、Q4以特定的占空比交替联通时，电路工作于BUCK-BOOST方式，即混合方式（MIX方式），见图2.1。

下面分享一下该电路的三大工作模式。

01BUCK工作模式

电路在输出电压低于其输入电压的80%时，工作于斩波-降压区即BUCK方式，这时Q1与Q2以一定的占空比交替导通，Q3保持截止Q4保持导通，电路拓扑等效于同步整流BUCK电路拓扑。

在本设计中，Q1和Q4分别作为电路的两个半桥的上管，采用了由自举二极管和自举电容组成的自举升压驱动电路，也就是对于Q4而言，在每一个PWM开关周期内，Q3需要有一特殊且相对固定的导通时间，否则当Q4的自举电容储存的能量消耗完导致电压降低时，Q4将会因为栅极驱动电压低于导通阈值而截止。

也就是说，本研究可以让Q3以非常小的占空比导通，而Q4则以很大的接近100%的占空比导通。

在Q1接通Q2断开的情况下，该电路的等价拓扑结构在图2.4中，其中，通过Q1将输入电压Vin存储在电感器L上，并且对该负荷进行了充电，在该线圈上的电压是Vin减Vout，所以电感中的电流是直线上升的，电感和输出电容都在蓄电。

在Q1断开Q2联通时，其等效电路拓扑见图2.5，因为电感上的电流不能突然变化，所以感应的电流也不会发生变化，并且经过Q2继续续流，所以在电感器上的电压是负的Vout，所以在电感器上流动的电流也是线性地减小的，电感此时释放出能量。

Q1和Q2驱动以及电感电流的波形如图2.6所示。

02BOOST工作模式

在输出电压显著高于输入端（VIN低于80%）的情况下，该电路进入BOOST方式，此时Q3、Q4按特定的、特定的、特定的占空比进行切换，Q1保持导通，Q2保持关断，与BOOST等效。

但是，在Q3接通Q4断开的情况下，它的等价电路显示在图2.7中，其中，输入电压Vin通过Q3将电感L存储起来，并对其进行充电，在电感上的电压与Vin相等，流过电感的电流也随之直线上升，在这个时候，电感将电能存储起来，通过输出电容临时为负载提供电力，从而维持了输出电压。

当Q3截止Q4导通时，其等效拓扑见图2.8，在电感器上施加的电压为Vin减Vout，流过电感器的电流成线性下降，电感会将其放出，并且电感中的能量不补充输出电容于上一阶段输出的能量。

电感电流波形和Q3和Q4驱动波形如图2.9所示。

03BUCK-BOOST模式（MIX模式）

当输入输出电压相同时，无论BUCK方式还是BOOST方式，在两种方式下，都不能很好地适应高精度的工作需求。此时需要BUCK和BOOST这两种不同的工作方式同时工作，即在一个PWM切换循环内，Q1和Q2、Q3和Q4以特殊且固定的占空比交替导通。

设：

BUCK斩波电路的PWM占空比为D1

BOOST升压电路的PWM占空比为D2

BUCK斩波器的输出电压是V0

BOOST升压器的输入电压是V0

在图2.10中可以看到该电路的等价结构。

当电路工作于MIX方式时，D1、D2，都会对该电路的输出电压产生共同的作用。

由于BUCK-BOOST工作方式的电路的输出电压与输入电压相近，因此可以将BUCK方式的占空比设定成一个固定的80%，在这个时候调节BOOST电路PWM占空比，就可以使输出的电压灵活可调。根据之前分析的两种工作模式，在图2.11中呈现了BUCK和BOOST工作模式下电感电流的波形以及PWM占空比。

综合上述三种工作模式。

输入电压和输出电压幅值经过采样电路和信号调理电路到微型控制器，在测量到的工作电压低于80%时，由MCU控制工作在BUCK状态；

在测量到的工作电压高于输入端的120%时，微控制器将工作在BOOST工作状态；

在输入电压为80~120%范围内改变时，MCU将工作于MIX模式

五、氮化镓HEMT简介

01E-HEMT的原理与特点

E-HEMT也就是GaN增强型高电子迁移率晶体管。

在AlGaN/GaN异质结中，通过特殊的材料结构形成了横向二维电子气（2DEG），这种2DEG具有极高的电荷密度和电子迁移率，是提升器件性能的关键因素。

制造原理是？

在氮化镓（GaN）器件的制造过程中，为了确保器件在无栅极电压时能够处于稳定截止状态，实现所谓的常断特性，通常会对栅极进行P型掺杂，如使用镁作为掺杂元素。这种掺杂方式能有效耗尽异质结中的二维电子气，从而形成常断型器件。

值得注意的是，这类氮化镓开关器件不仅开关性能优越，而且其工作原理与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）相似，展现出了优异的电子器件特性。

HEMT与常规硅MOS的共同点？

都属于真正意义上的的增强型器件（常闭型器件）。

在开启之后，只要供给栅极漏电电流IGSS才能保持开启状态。

可根据RG的变化来控制切换速率。

与大部分硅MOSFET驱动芯片兼容。

HEMT与常规硅MOS的差异？

HEMT有极低的QG、更低的驱动损耗、更快的开关速度。

更高的跨导和更低的VGS、仅需+5V到6V门极偏置电压即可接通元件。

更低的VG(th)、典型值为1.5V。

本设计中的双向同步自动升降压电源中主要由两个氮化镓半桥组成，每个半桥存在高位GaN E-HEMT管。

传统的设计是怎样的？

从其他论文中看到的传统的驱动电路对于高位GaN E-HEMT管驱动一般用隔离驱动器或者脉冲变压器隔离驱动，但会导致电路复杂，会增加设计的复杂程度和样机尺寸，并且用栅极隔离变压器可能会造成效率下降因为可能有一定的驱动损耗。

我的设计是怎样的？有啥优势？

本设计选用两颗NCP51820高速门驱动器分别驱动两个半桥，它专为满足驱动增强模式（E-mode）高电子迁移率晶体管（HEMT）和门注入晶体管（GIT）、氮化镓（GaN）功率开关在离线、半桥功率拓扑中的严格要求而设计。

该驱动器具有短且匹配的传播延迟，采用先进的电平转换技术，提供高端驱动器的共模电压范围为-3.5V至+650V（典型值），低端驱动器的共模电压范围为±3.5V。此外，该器件提供稳定的dV/dt操作，在高速开关应用中，两个驱动器输出级别均可达到200V/ns的评级。

那么，如何完全保护氮化镓功率晶体管的栅极免受过高的电压应力？

两个驱动阶段均采用专用电压调节器来准确维持栅源驱动信号的幅度。该电路积极调节驱动器的偏置电压，并在各种工作条件下防止潜在的栅源过压。NCP51820还提供重要的保护功能，如：

独立欠压锁存（UVLO）

监控VDD偏置电压和VDDH和VDDL驱动器偏置

基于器件结温度的热关断

可编程的死区控制可配置以防止交叉导通，可增加系统可靠性。

好像需要一个辅助电源？

单片机需要3.3V的工作电压，半桥驱动器需要12V工作电压，运算放大器的工作电压为5V，输入电压最大为100V，因此需要一个辅助电源。

本文选择MP9486A，它采用滞环电压控制模式，可快速响应负载跳变。因为芯片的开关频率高达1MHz，所以可以使用小尺寸的电感电容。过温保护与短路保护（SCP）保证了电源的稳定可靠运行。170µA的静态电流有助于提高轻载效率。

为啥选择STM32F334？

数字控制双向同步BUCK-BOOST变换器主控制器采用STM32F334。通过ADC采集输出电压或输出电流信号，配合由滑动电位器产生的输出电压参考信号或输出电流参考信号，在特定环路补偿器计算后，实现输出电压闭环控制或输出电流闭环控制。

六、程序设计

图6.1为整体程序架构图，程序在上电复位后对软件各个功能模块进行初始化，main.C中并不运行软件功能程序，核心程序以中断的形式运行。

七、制作注意事项

（1）单片机单独做了一个小板子方便快速更换，做了软防呆缺角记号，防呆不防傻，大力出奇迹

（2）辅助电源的输出电容应该用ESR比较高的电解电容，不要想当然的用一堆大容量mlcc，详情可以看数据手册

（3）改程序小心点，不要大力出奇迹，输出三百多伏辅助电源扛不住

（4）IGT60R070D1氮化镓管子去某宝买拆机的10块钱一个性价极高；电感可以找科达嘉申请样品或者换成其他的。

（5）打板子时候记得贴MOS的半桥子板是铝基板，别选错了，弄个黄黄的单层FR4